Cabos aéreos Para linhas de Transmissão de Energia elétrica – O aterramento em linhas de transmissão

nov, 2019

por Geraldo de Almeida*

Resumo

O aterramento em linhas de transmissão, mas também em qualquer parte de um sistema elétrico, existe para protegê-lo contra voltagens que excedam o nível básico de isolamento do sistema quando este for aéreo. Quando isolado, geralmente, ele é auto protegido contra descargas elétricas que entrem pela porta não isolada. De qualquer forma, quase sempre, a engenharia prevê a instalação de um para-raio na interface aéreo-isolada.

De modo geral, em linhas aéreas de transmissão, o aterramento é assessorado por um sistema coletor de raios, situado acima dos condutores de fase, denominado Sistema de Proteção Contra

Descargas Atmosféricas (SPDA). O Aterramento deve prover todas as facilidades para escoar para terra as correntes derivadas das descargas que este coletor captar. A presença do SPDA e o Aterramento no sistema de transmissão cria um circuito paralelo com os condutores de fase formando um circuito alternativo (e preferencial) ao solo para circulação da componente de sequência zero (de qualquer natureza). A maior destas componentes é aquela devido ao curto-circuito, que pode ocorrer durante o desempenho da linha. Além do curto-circuito, com sua componente de sequência zero e surtos de manobras com suas correntes de retorno por terra, também compõem parte dos serviços de um sistema de aterramento. O circuito SPDA e Aterramento são também percorridos por correntes induzidas pelas correntes de fases e pelas correntes de fuga dos isolados. Estas correntes escoam durante todo tempo de funcionamento da linha. Apesar de serem de pequenos valores, elas determinam o tempo de vida dos materiais deste circuito. O trabalho analisa todos estes aspectos e apresenta os materiais mais usados no aterramento e a respectiva confiabilidade.

Introdução

A necessidade de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas em linhas aéreas de transmissão de energia elétrica remonta ao tempo de Nicola Tesla [1].

Toda engenharia, desde então, foi progressivamente sistematizada, e hoje temos na disciplina “Coordenação de Isolamento” [2], um corpo de conhecimento necessário para prover a necessidade de proteção contra descargas atmosféricas.

Atualmente, esta proteção sistematizada é denominada pelas siglas SPDA + ATERRAMENTO [3] e deve estar presente em todos os projetos de linhas de transmissão.

O SPDA + ATERRAMENTO está mostrado na figura 1.

Figura 1 – SPDA + Aterramento.

O sistema captor de raios (SPDA) é de material condutor: (I) cabos para raios, (II) cabos de baixada e (III) aterramento propriamente dito. Este trabalho abordará apenas o item (III).

De modo geral, um projeto de aterramento em linhas de transmissão (torres) passa por etapas onde emergem como pontos críticos três grandezas: (1) Corrente máxima (2) Duração desta corrente e (3) Tempo de operação da linha. As duas primeiras definirão uma determinada quantidade de material pelo equivalente termodinâmico adiabático, e a terceira definirá o tipo de material.

Figura 2 – Descarga no cabo guarda.

Correntes possíveis e prováveis

As correntes possíveis ou prováveis no aterramento de linhas de transmissão são:

1- Correntes de curto-circuito devido a alguma falha elétrica na linha

de transmissão;

2- Correntes resultantes de uma descarga de origem atmosférica;

3- Correntes devido a um surto de alguma manobra não desejável no

sistema;

4- Correntes induzidas pelas fases nos cabos guarda;

5- Correntes de fuga na isolação;

6- Correntes naturais de potenciais eletroquímicos.

As três primeiras modalidades se enquadram no tipo PROVÁVEIS e os aterramentos são dimensionados para suportar seus valores durante todo desempenho.

As três últimas são as correntes POSSÍVEIS e de existência garantida, referem a valores muito baixos, mas que têm um significado forte no desempenho dos materiais frente aos potenciais eletroquímico dos mesmos.

Corrente de curto

Antes de J.R. Carson [04] e Edith Clarke [05], o cálculo de correntes de curto-circuito com retorno por terra era precário. Atualmente, as estimativas destas correntes podem ser feitas com muita precisão, pois os modelos de cálculo estão muito desenvolvidos em [06].

Para o aterramento na transmissão, o objetivo é identificar a máxima corrente de curto que tem acesso às hastes de terra. Neste caso, o problema pode ser simplificado, calculando o curto-circuito (monofásico, bifásico e trifásico simétrico) na primeira torre após a subestação de alimentação.

Corrente de descarga atmosférica

A maior restrição ao desempenho adequado de uma linha de transmissão são as descargas atmosféricas. Estas podem ser de várias dezenas de Coulombs em tempos muito curtos, trazendo, portanto, uma corrente muito elevada.

No passado, estimar uma corrente que passava nos eletrodos de terra de uma linha de transmissão era uma tarefa para esotéricos. Assim, era comum criar alguns critérios para esta estimação. Neste trabalho, será apresentado um critério, que na ausência de modelagem por ATP [07] ou EMTP [08] pode usado como primeira estimativa.

Para linhas de transmissão AC e DC de longa distância (para linhas AC implica em adoção de FACTS [09], a estimação de corrente de descarga atmosférica com métodos avançados é mandatória.

Neste trabalho, apresento um critério baseado em desempenho de materiais frente a descargas elétrica de 50, 100 e 150 Coulombs [10].

Corrente de surto de manobra

A expressão “surto de manobra” inclui várias modalidades de ocorrências anormais no sistema de potência, com especial referência para linhas de transmissão [11].

De modo geral, a corrente que circula pelo aterramento devido a surtos de manobras é menor que aquelas que circulam nos cabos de fase (ou polo) e cabos guarda para raio.

Correntes induzidas

Cabo guarda para-raios são percorridos por correntes induzidas pelos cabos de fase quando a linha está desempenhando sua função no sistema. Estas correntes serão maiores ou menores dependendo do grau de simetria dos condutores de fase em relação aos cabos para raio.

Correntes capacitivas também acontecem, mas são muito menores que as induzidas (AC) [12], porém, são as únicas em caso de transmissão DC [13]. As correntes induzidas (indutivas capacitivas) escoam para terra através dos aterramentos e, apesar de não provocarem aumento de temperatura nas partes condutoras do aterramento, estas correntes concorrem para erodir a camada de material condutor do sistema.

Correntes de fuga

As correntes de fuga decorrem de perda de isolação nas cadeias de isoladores e/ou nas bases dos isoladores fixos.

Correntes induzidas calculadas e medidas [12] e [13]. Correntes de fuga são geralmente medidas, mas podem ser estimadas com algoritmos especialistas.

Correntes naturais

No caso específico de aterramentos, as correntes naturais são aquelas que formam por causa de variação da composição do solo. Especificamente, são de interesses as correntes derivadas de variação do Ph do solo [14].

Correntes e os materiais

O estudo de um curto-circuito é feito com transformação adiabática, porque o tempo de ação das variáveis é muito curto. A equação final deverá ser um balanço entre a energia que deriva do curto-circuito e a quantidade de material que deve receber esta energia dentro uma conhecida faixa de temperatura.

Correntes de curta duração

Em casos de curto-circuito, descarga atmosférica ou surto de

manobra, o equilíbrio da energia durante a operação anormal pode ser balanceado com uma quantidade de material em uma determinada faixa de temperatura, segundo a equação:

• cv = Calor específico a volume constam

• ρ0 = Resistividade a 0ºC

• α1⁄β = Coeficiente de termoresistividade do material

Correntes de longa duração

Estas correntes são de pequena intensidade, decorrente do acoplamento (indutivos e capacitivos) e correntes de fuga nos isoladores. Devido à sua baixa intensidade, provocam erosões danosas nos materiais de aterramentos. Seu papel e desempenho serão abordados no capítulo de durabilidade.

Voltagens e potenciais perigosos

Quando uma grande quantidade de cargas elétricas chega a um sistema de aterramento, aparece uma elevação de potencial no ponto de chegada das mesmas até que sejam absorvidas pelo solo circunstante.

Figura 3 – Funil de voltagem.

Quanto menor for a resistência de aterramento e maior for a quantidade de material condutor, menor será o valor de crista da elevação do potencial.

O potencial apresentado na figura 3 é um “flash” da evolução da capacidade ao longo do tempo. Muitas cargas chegam simultaneamente, aumentando o potencial, e demoram algum tempo relaxar. O tempo de relaxação das cargas permite a criação de latências perigosas para o que estiver nas proximidades; este fenômeno foi estudado e resolvido por DALZIEL [15].

Em uma torre, este fenômeno será também presente com o mesmo princípio.

Figura 4 – Potenciais de toque e passo.

Na figura 4 está ilustrada a manifestação destes potenciais, onde as duas curvas ilustram o andamento da capacidade na estrutura (azul) e na superfície do solo (vermelho). O contato das partes humanas é que determinará a diferença de potencial a que serão submetidas em uma circulação de corrente elétrica no intervalo de tempo que durar o surto.

A primeira ilustração é o típico POTENCIAL (diferença) DE PASSO. Pela IEEE 80 [16] estabelecido como 1 metro de distância entre os pés.

A segunda ilustração é o típico POTENCIAL (diferença) DE TOQUE.

A terceira ilustração, é improvável, mas pode ocorrer. Seria o caso de um indivíduo amarrar uma corrente metálica em uma estrutura e postar-se longe da mesma, porém, segurando esta corrente.

Potenciais de passo

O potencial de passo foi estudado por Dalziel [15]. O autor reconhece que o mesmo depende do tempo de circulação de uma corrente e varia de indivíduo para individuo; contudo, foi possível padronizar para indivíduos de 50kg e de 70kg. A norma internacional mais utilizada para a análise destes potenciais são: IEEE 80 e CIGRE, sendo a segunda mais leniente. Nesta norma, é possível relacionar a corrente circulante no corpo humano e os diversos potenciais de passo em uma quadrícula de aterramento.

Figura 5 – O potencial de passo.

Potenciais de toque

O potencial de toque é muito mais perigoso que o potencial de passo. Foi também Dalziel que estabeleceu as equações e condições limites de tolerabilidade [15] para este fenômeno. As normas IEEE 80 e CIGRE também regulam o cálculo desta fenomenologia.

Figura 6 – O potencial de toque.

Potenciais de pata

Nas linhas de transmissão, a presença de animais ao longo da estrutura e mesmo dentro das faixas de servidão é considerada possível e normal. Segundo Dalziel [15], no Brasil, o potencial de pata não é considerado, pois as concessionárias indenizam os produtores que reclamam sobre a morte de animais nas proximidades das faixas em acordo extrajudicial.

Em projetos de aterramento de torres de transmissão, os limites de Dalziel [15] devem sempre ser considerados.

O Back-flashover

Quando uma linha de transmissão possui um nível básico de isolamento inferior a 1200kV, a resistência do pé de torre afeta o fenômeno de back-flashover através dos isoladores [17].

Figura 7 – % de Back-flashover.

É possível administrar fenômenos back-flashover e permitir o religamento e recuperação da linha sem indisponibilidade, com um projeto de aterramento de pé de torre adequado.

Materiais e conexões

O estanho foi um material muito usado quando a eletrônica trabalhava com o cobre (estanhado) como material condutivo que favorecia muito as conexões soldadas. Um material com baixo ponto de fusão (232ºC) e na escala eletroquímica está no potencial anódico mais baixo (quase zero). Isto é um grande benefício para cobertura de metais mais anódicos e pode ser de utilidade nas transições metálicas. Todavia, em transmissão, os aterramentos são percorridos por correntes de elevadas intensidades e a presença de um material com baixo ponto de fusão não pode ser permitida. Deste modo, não devemos incluir este material na tabela (1).

A escala de valor para escolha dos materiais de aterramento é: (I) Condutividade elétrica, (II) Temperatura de fusão do material, (III) Calor específico, (IV) Condutividade térmica, (V) Módulo de elasticidade, (VI) Coeficiente de dilatação linear, (VII) Potencial eletroquímico do material. Omite-se desta escala o coeficiente de termo resistividade elétrico, que é considerado comum a todos os materiais (exceto, o alumínio).

Os quatro primeiros parâmetros estão envolvidos na equação que define a seção necessária do material para a máxima energia desenvolvida durante o curto, e os valores (V) e (VI) desempenham um papel de suprema importância quando os curtos e surtos são recorrentes. Estes parâmetros devem ser invariantes. Por isso, em transmissão, o material mais adequado para aterramento é o cobre.

I- Condutividade elétrica

II- Temperatura de fusão do material

III- Calor específico

IV- Condutividade térmica

V- Módulo de elasticidade

VI- Coeficiente de dilatação linear

VII- Potencial eletroquímico do material

Durabilidade dos materiais

O aterramento de partes protetoras da transmissão é composto de uma parte externa ao solo e outra enterrada. A durabilidade da parte externa não será abordada neste trabalho, que manterá o foco no corpo metálico enterrado no solo.

Metais diretamente enterrados têm sua durabilidade estritamente ligada à fenômeno da corrosão, uma área da físico-química que pode ser contextualizada em duas seções:

1- O comportamento inicial guiado pela teoria de MARCEL POURBAIX [18];

2- O consumo dos materiais imersos no solo devido à passagem de correntes: (I) de origem eletroquímica e (II) de origem eletromagnética.

Neste capítulo, será apresentado visão, equacionamento e resolução de alguns casos práticos.

Marcel Pourbaix

Em 1946 [18], Marcel Pourbaix apresentou uma perspectiva nova para apreciação do problema de corrosão. Esta perspectiva foi amplificada para todos os metais [19], e hoje, as marinhas militares usam esta abordagem para a definição (inicial) da compatibilidade entre os materiais e as interações entre os mesmos e o ambiente circunstante.

Marcel Pourbaix, através de uma eletroquímica clássica aplicada às soluções diluídas, elaborou os mapas de Pourbaix que auxiliam a determinar as regiões onde os materiais são: (i) imunes à corrosão, (ii) passivados contra a corrosão ou (iii) corroídos. Sempre considerando o par (Ep vs pH) em uma solução diluída.

Para os materiais mais usados (Cu, Zn, Fe e Al), os mapas de Pourbaix são:

Figura 8 – Diagramas de Pourbaix.

Consumo dos materiais

Os materiais usados em aterramentos são naturalmente devolvidos à natureza pelo processo de oxidação (corrosão). Existe já um conhecimento estabelecido [19] que resolve a maioria dos problemas.

As taxas de corrosão para os metais submetidos a um processo de corrosão uniforme são determinadas por quaisquer dos seguintes métodos:

1- Perda de peso

2- Ganho de peso

3- Análise química da solução

4- Técnicas gasométricas (quando o subproduto é gás)

5- Medidas de espessuras

6- Sondagem de resistência elétrica

7- Método de marcador inerte

8- Técnicas eletroquímicas

No domínio da pesquisa industrial, existe certa preferência para os dois primeiros.

Recomendações gerais

Para que o aterramento seja eficiente e confiável, necessita de materiais duráveis, resistentes mecanicamente e de alta condutividade. Todos os materiais condutores, de modo geral, podem ser usados como material de aterramento. Todavia, a parte enterrada do aterramento (as demais partes não aterradas estão fora da troca de íons com o solo) requer materiais que não sejam anódicos.

O cobre, por suas características, seria o metal ideal. Além de possuir a maior condutividade elétrica entre os materiais comerciais, não sofre degradação por corrosão quando em contato com o solo. No entanto, seu alto valor de mercado o torna muito atrativo para roubos, sendo alvo constante de furtos para revenda no mercado clandestino.

Como alternativa ao potencial de furto e ao alto custo do cobre, é comum o uso de aço zincado nos projetos de aterramento, especialmente, em SPDA. No entanto, esta é uma tentativa ineficaz já que, por ter baixa resistência a corrosão, o aço galvanizado em pouco tempo se deteriora quando em contato com o solo.

A melhor alternativa ao cobre puro, para aterramento e SPDA é o aço revestido de cobre (copper cladded steel), cuja tecnologia de fabricação permite dosar a espessura da camada de cobre dependendo da aplicação, podendo variar entre 21% e 53% IACS dependendo das demandas de ampacidade, garantido performance equivalente à do cobre e vida útil de 6 a 8 vezes maior que as cordoalhas de aço zincado. Diversos estudos, como por exemplo [25] e [26], comprovam que a vida útil de cordoalhas de aço zincado varia de 8 a 10 anos dependendo do pH do meio, enquanto a do cobre ou do aço revestido de cobre varia de 40 a 50 anos. Esse é um dado de extrema relevância considerando que o aterramento deve ter vida útil compatível com a duração da concessão do sistema.

Em subestações (descidas e malhas de terra), por exemplo, o cobre puro pode ser substituído por um aço revestido de cobre 40% ou 53% IACS, sem comprometer características de corrente de curto-circuito admissível. Já para aplicações de SPDA em linhas de transmissão (descidas e contrapeso), os materiais mais indicados são os aços revestidos de cobre 21% ou 30% IACS.

Agradecimentos

O autor, consultor do grupo INTELLI, agradece a permissão para publicar este trabalho.


*Geraldo de Almeida é graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Juiz de Fora, mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade de São Paulo e doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade de São Paulo. Atua como consultor do Grupo Intelli há 16 anos no desenvolvimento de novos produtos e tecnologias.

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