Quando o caminho mais curto não é o caminho da corrente
Uma análise técnica aprofundada da distribuição de corrente em corredores de linhas aéreas sob condições de defeito a 50 Hz e de impulso de raio.
O mesmo corredor de linha aérea pode comportar-se como uma rede de terras distribuída durante um defeito à terra a 50 Hz, mas como um problema local de corrente de impulso durante um raio. Esta diferença altera os percursos da corrente, o risco de tensão de contacto e os esforços sobre a infraestrutura.
Principais conclusões
- A distribuição de corrente em infraestruturas lineares não é apenas uma questão de localização; depende também do regime da fonte.
- A 50 Hz, um corredor de linha aérea pode repartir a corrente de defeito por numerosos sistemas de ligação à terra dos apoios.
- Sob condições de impulso de raio, a maior parte da corrente pode permanecer junto do ponto de injeção.
Distribuição de corrente em corredores de linhas aéreas sob condições de defeito e de raio.
Introdução
Nos estudos de sistemas elétricos e de proteção contra raios, é tentador imaginar o fluxo de corrente de forma simples: a corrente entra numa estrutura, encontra o caminho mais curto ou «melhor» para a terra e dissipa-se principalmente através do sistema de ligação à terra mais próximo.
Para um único apoio de uma linha aérea de transporte, esta intuição conduz a uma expectativa comum: durante um defeito à terra, a maior parte da corrente deveria entrar na fundação do apoio afetado e retornar localmente através do seu sistema de ligação à terra.
No entanto, uma infraestrutura linear não se comporta como um elétrodo isolado.
Um corredor de linha aérea é um sistema eletricamente acoplado: apoios reticulados, cabos de guarda, condutores de fase, fundações dos apoios, camadas do solo, sistemas de ligação à terra das subestações e infraestruturas próximas fazem parte do mesmo ambiente eletromagnético. A distribuição de corrente depende não só da geometria, mas também do regime da fonte.
Um defeito à terra a 50 Hz e um impulso de raio podem utilizar o mesmo corredor físico, os mesmos apoios e os mesmos sistemas de ligação à terra — mas não seguem necessariamente o mesmo percurso de retorno.
Para tornar este efeito visível, consideremos um exemplo representativo simples: um corredor de linha aérea de 220 kV com apoios reticulados, um cabo de guarda, um condutor de fase, sistemas de ligação à terra dos apoios não uniformes e terminações equivalentes nas duas extremidades do corredor.
São comparados três regimes de funcionamento:
- um defeito à terra a 50 Hz com redistribuição de corrente predominantemente óhmica,
- um defeito à terra a 50 Hz que inclui o acoplamento com o condutor de fase,
- um impulso de raio de 10/350 µs aplicado ao mesmo corredor.
O objetivo é demonstrar um efeito prático de engenharia: a mesma infraestrutura pode produzir distribuições de corrente completamente diferentes consoante a excitação seja um defeito à frequência industrial ou um impulso de raio.
Este aspeto é importante para as tensões de contacto junto aos apoios, a avaliação da ligação à terra, as condutas próximas, os sistemas de cabos, as infraestruturas ferroviárias, as vedações e o projeto de proteção contra sobretensões.
O corredor do exemplo
O exemplo é intencionalmente simples: um corredor representativo de linha aérea de 220 kV entre duas subestações. O corredor inclui apoios reticulados, um cabo de guarda, um condutor de fase e sistemas individuais de ligação à terra dos apoios.
Corredor representativo com vários apoios utilizado para comparar o comportamento perante defeitos a 50 Hz e impulsos de raio na mesma geometria física.
O apoio 10 é selecionado como ponto de injeção de corrente. Isto permite comparar a mesma geometria sob diferentes regimes da fonte: um defeito à terra a 50 Hz e um impulso de raio.
Para tornar o exemplo mais interessante, não se pressupõe que as resistências de terra dos apoios sejam uniformes. Este aspeto é importante porque os corredores reais raramente apresentam condições de solo e de ligação à terra idênticas em todos os apoios. No exemplo, um apoio tem uma resistência de terra muito baixa, enquanto o apoio de injeção apresenta um valor comparativamente elevado. Isto cria um caso de estudo útil: a corrente permanece junto do ponto de injeção ou desloca-se ao longo do corredor para encontrar um percurso de retorno melhor?
O mesmo corredor, três regimes da fonte
O mesmo corredor é comparado sob três regimes da fonte diferentes:
- redistribuição óhmica de uma corrente de defeito à terra,
- um defeito a 50 Hz que inclui o acoplamento com o condutor de fase,
- um impulso de raio no apoio 10.
O primeiro caso representa o modelo clássico de «escada do cabo de guarda». O segundo acrescenta o acoplamento eletromagnético entre o condutor de fase e o cabo de guarda. O terceiro altera completamente o problema: devido ao conteúdo de alta frequência do impulso de raio, a impedância indutiva do cabo de guarda torna-se dominante.
Mesma geometria. Mesmos sistemas de ligação à terra. Regime da fonte diferente — percurso da corrente diferente.
A visão global numa única imagem
Antes de analisar as correntes em cada apoio, é útil observar o potencial à superfície do solo em redor do corredor.
A figura abaixo mostra o mesmo corredor sob os três regimes da fonte. A geometria não se altera. Os sistemas de ligação à terra não se alteram. Apenas muda o regime da fonte.
Potencial à superfície do solo no mesmo corredor sob redistribuição óhmica, acoplamento com o condutor de fase a 50 Hz e condições de impulso de raio.
A diferença é imediatamente visível.
No caso da redistribuição óhmica, a distribuição de potencial é ampla. O corredor comporta-se como um sistema eletricamente interligado e a corrente de retorno distribui-se por uma grande parte da linha.
No caso do defeito a 50 Hz com acoplamento de fase, a imagem torna-se mais estruturada: cada apoio produz uma elevação de potencial mais localizada e a contribuição global da corrente de terra é reduzida.
Sob condições de impulso de raio, o comportamento altera-se por completo. A elevação de potencial concentra-se em redor do apoio 10, quase como um alvo. O corredor deixa de se comportar como uma rede de distribuição de corrente de baixa impedância; o impulso permanece sobretudo localizado.
Esta é a mensagem central do artigo:
o mesmo corredor, os mesmos sistemas de ligação à terra — mas um percurso da corrente completamente diferente.
Resultado 1 — a corrente a 50 Hz «vê» toda a rede de terras
O caso de 50 Hz é já menos intuitivo do que seria de esperar.
No apoio de injeção, a corrente não «vê» apenas o sistema local de ligação à terra. Através do cabo de guarda, vê também as ligações à terra dos apoios vizinhos nas duas direções.
Em termos simples: muitos sistemas de ligação à terra dos apoios funcionam em conjunto como um percurso de retorno distribuído em paralelo.
É por esta razão que a corrente não abandona necessariamente a estrutura no ponto onde o defeito é aplicado.
No caso óhmico, o apoio 10 conduz cerca de 8,9% da corrente de defeito injetada. No entanto, o apoio 5, situado a vários vãos de distância, conduz cerca de 10,1%.
Porquê? Porque o apoio 5 tem uma resistência de terra inferior. Para a corrente, é simplesmente uma saída mais favorável para o solo.
Quando o condutor de fase é incluído, a parcela correspondente ao apoio 10 torna-se ainda menor. Isto demonstra que o acoplamento entre o condutor de fase e o cabo de guarda pode alterar de forma significativa a corrente que retorna através dos sistemas de ligação à terra dos apoios.
A 50 Hz, o corredor partilha o problema.
A localização do defeito é importante — mas não conta toda a história.
Corrente no pé de cada apoio nos dois casos de 50 Hz, mostrando como o corredor participa enquanto percurso de retorno distribuído.
Resultado 2 — a corrente do raio permanece localizada
O caso do raio apresenta um comportamento completamente diferente.
Para o impulso de 10/350 µs, o apoio 10 conduz cerca de 89% da corrente injetada. Os vizinhos imediatos ainda participam, mas, após alguns vãos, a contribuição da corrente torna-se muito reduzida.
Porquê?
A 50 Hz, o cabo de guarda comporta-se como uma ligação de baixa impedância entre os sistemas de ligação à terra dos apoios. O corredor ajuda a distribuir a corrente.
Sob condições de raio, o conteúdo de alta frequência muda a situação. A impedância indutiva do cabo de guarda torna-se dominante e cada vão acrescenta impedância.
Assim, a corrente de impulso não «percorre» o corredor da mesma forma. Permanece sobretudo onde entra.
Por este motivo, o sistema local de ligação à terra do apoio de injeção torna-se muito mais importante para a elevação do potencial, o risco de tensão de contacto e os esforços sobre as infraestruturas próximas.
Corrente no pé de cada apoio no caso do raio, em que a maior parte da corrente de impulso injetada permanece junto do apoio 10.
Resultado 3 — a distribuição de corrente torna-se uma questão de segurança
A tensão de contacto diretamente no pé do apoio não é, muitas vezes, o principal cenário prático de trabalho. Em muitos casos, não se prevê que alguém toque num apoio de transporte durante um defeito.
Ainda assim, o resultado no pé do apoio é útil como exemplo demonstrativo: mostra de que forma a elevação local do potencial e a distribuição de corrente podem tornar-se uma questão de segurança para as infraestruturas próximas.
Alguns exemplos realistas são:
- um técnico a trabalhar num posto de ensaio de uma conduta,
- pessoal a manusear a bainha de um cabo ou a trabalhar num traçado de telecomunicações ou de fibra ótica,
- uma vedação, um portão, um armário ou uma caixa de junção perto da secção de linha afetada,
- um corredor de condutas ou um sistema ferroviário próximo da linha aérea.
Como referência, considere-se um tempo curto de eliminação do defeito de 250 ms e um nível de cerca de 1 kV para a tensão de contacto presumida.
No apoio 10, o valor calculado está claramente acima deste nível nos dois casos de 50 Hz.
A mensagem prática é a seguinte:
Um apoio não precisa de conduzir a maior parcela da corrente total de defeito para se tornar crítico para a segurança.
Uma resistência de terra local elevada pode ainda assim criar uma elevação local crítica do potencial — e as infraestruturas próximas também podem ser afetadas.
Tensão de contacto presumida mais desfavorável no pé de cada apoio nos casos de 50 Hz, ilustrando por que razão a distribuição de corrente se torna uma questão de segurança.
Resultado 4 — a conclusão: o mesmo corredor, um percurso da corrente diferente
Esta é a história completa numa única imagem.
No caso óhmico, a corrente distribui-se pelo corredor.
Quando se inclui o acoplamento com o condutor de fase, a distribuição volta a mudar.
Sob condições de impulso de raio, a situação inverte-se: a maior parte da corrente permanece junto do apoio 10.
Mesmo corredor.
Mesmos sistemas de ligação à terra.
Regime da fonte diferente.
Percurso da corrente diferente.
Esforços diferentes sobre a infraestrutura.
Risco de segurança diferente.
Repartição da corrente pelo apoio de injeção, pelos apoios próximos e pelo restante corredor em cada regime da fonte.
| Caso | Apoio atingido (A10) | 4 vizinhos mais próximos | 15 outros apoios |
|---|---|---|---|
| Redistribuição óhmica | 9 % | 30 % | 60 % |
| 50 Hz com acoplamento de fase | 8 % | 26 % | 66 % |
| Raio, 10/350 µs | 85 % | 15 % | < 1 % |
Mesmo equipamento. Regime diferente. Uma distribuição de corrente completamente diferente.
O que retiro desta análise
A principal conclusão é simples:
A distribuição de corrente em infraestruturas lineares não é apenas uma questão de localização.
É uma questão do regime da fonte.
O mesmo corredor pode comportar-se como uma rede de terras distribuída sob condições de defeito à terra — e como um problema local de corrente de impulso sob condições de raio.
Isto é importante para a tensão de contacto, a avaliação da ligação à terra, as condutas, os traçados de cabos, os sistemas ferroviários, as vedações, os armários e o projeto de proteção contra sobretensões.