As tensões induzidas e sobretensões geradas por descarga atmosféricas diretas e indiretas são um dos principais causadores de desligamentos não programados em redes de transmissão e distribuição. Estes desligamentos comprometem o fornecimento de energia a milhares de consumidores, sobretudo em regiões com constantes variações climáticas e com características orográficas bastante diversificadas, como apresentado no território brasileiro. Desse modo, cada vez mais esses fenômenos são estudados a fim de desenvolverem-se procedimentos para proteção contra distúrbios causados por descargas atmosféricas. Neste contexto, esta pesquisa contempla o estudo do estabelecimento das descargas atmosféricas indiretas e das tensões por elas induzidas em linhas de distribuição, assim como o assentamento das mesmas nestas redes de energia. Não obstante, utilizando-se um software capaz de representar transitórios eletromagnéticos são modelados e implementados um alimentador teste de distribuição e um sistema para estimação de tensões induzidas no domínio do tempo baseado no modelo de Sune Rusck. Também são modelados e implementados para-raios de óxido de zinco, de forma a representar suas características dinâmicas, para proteger a linha sob apreciação dos distúrbios provocados pelas tensões induzidas. A partir de uma análise comparativa entre a operação do sistema de distribuição em regime permanente e frente aos desdobramentos promovidos pelas tensões induzidas, é determinada a melhor configuração, localização e quantificação dos para-raios a serem instalados para proteção do sistema teste. Por meio da avaliação dos resultados das simulações computacionais observa-se a robustez da subestação e quais os ramos e cargas mais suscetíveis a perturbações frente às tensões induzidas, bem como a maior proteção oferecida pelos para-raios aos elementos conectados próximos aos seus nós de alocação. / The induced voltages and overvoltages generated by direct and indirect lightning are a major cause of not programmed shutdowns in transmission and distribution networks. These shutdowns compromise the power supply of thousands of consumers, especially in regions with frequent climatic variations and quite diverse orographic characteristics, as occurred on Brazilian soil. Thus, these phenomena are more and more studied in order to develop procedures for protection against disturbances caused by lightning. In this context, this research focuses on the study of the establishment of indirect lightning and the voltage induced by them on distribution lines, as well as their settlement on energy networks. However, using a software able to represent electromagnetic transients, a distribution test feeder and a system for estimating induced voltages in the time domain based on the Sune Rusck model are modeled and implemented. In addition, metal oxide surge arresters are modeled and implemented to represent its dynamic characteristics, in order to protect the line under consideration of disturbances caused by induced voltages. From a comparative analysis between the operation of the distribution system in steady state and facing the developments promoted by induced voltages, it is determined the best configuration, as well as the location and quantification of the surge arrester to be installed to protect the test system. Through evaluation of the results of computer simulations, it is observed the robustness of the substation and which branches and loads are more susceptible to the disturbances facing the induced voltages, and the greater protection offered by the surge arresters elements connected near to its nodes allocation.

There is great concern by the power systems utilities related to disturbances that generate induced overvoltages in the power network, as they reach the consumer sensitive equipment, causing damage and losses. In consequence of this framework, the power systems utilities get large financial losses every year due to indemnity for damage to such equipments. Among the disturbances that lead to induced overvoltages are lightning. Thus, in this work it was developed the study and analysis of the lightning´s effect on loads allocated on average (11kV/15kV) and low voltage (below 600V) under the influence caused by the resistance of grounding. For modeling and simulation of the system under analysis, the program for transient study ATP (Alternative Transient Program) was used. To develop the study, it was designed a system comprising of an 88kV transmission line, a substation, a distribution line of 13.8 kV and loads representing residential consumers. It was also analyzed the use of surge suppressor in the low voltage distribution transformers as a way to mitigate the induced overvoltages that reach consumers. / Existe uma grande preocupação por parte das concessionárias de energia relacionada aos distúrbios que geram sobretensões induzidas na rede elétrica, pois estas atingem os equipamentos sensíveis dos consumidores, causando danos e perdas. Em conseqüência deste quadro, as concessionárias contraem grandes prejuízos financeiros todos os anos devido ao ressarcimento por danos a tais equipamentos. Dentre os distúrbios causadores de sobretensões induzidas destacam-se as descargas atmosféricas. Sendo assim, neste trabalho foi desenvolvido o estudo e análise do efeito de descargas atmosféricas em cargas alocadas em média (11kV/15kV) e baixa tensão (abaixo de 600V) relacionada a influência causada pela resistência de aterramento. Para a modelagem e simulações do sistema sob análise utilizou-se o programa para estudo de transitórios ATP (Alternative Transient Program). Para a realização do estudo modelou-se um sistema composto de uma linha de transmissão de 88kV, uma subestação, uma linha de distribuição de 13,8kV e cargas que representam os consumidores residenciais. É analisada também a utilização de supressores de surto na baixa tensão dos transformadores de distribuição como forma de atenuar as sobretensões induzidas que atingem os consumidores. / Mestre em Ciências

Este trabalho apresenta uma análise dos surtos em redes aéreas secundárias de distribuição causados por descargas atmosféricas diretas no circuito primário. Alguns trabalhos publicados sobre o fenômeno são comentados, sendo também analisados vários outros estudos relativos à modelagem de componentes. No trabalho, os principais componentes da rede foram modelados e incluídos na representação de uma topologia típica (com as linhas primária e secundária). Assim, foram considerados: transformador de distribuição, isoladores, pára-raios, cargas (consumidores) e resistências de aterramento. Os modelos foram validados, quando possível, através de ensaios em laboratório. Algumas alternativas de proteção da rede secundária foram consideradas. Foi verificada a influência de alguns parâmetros relevantes tais como amplitude e tempo de frente da corrente da descarga, resistências de aterramento, modelos de cargas e posição da descarga. Os resultados foram obtidos por simulações computacionais realizadas através do programa ATP (Alternative Transients Program). São apresentadas formas de onda de sobretensões nos consumidores. Também são apresentados e discutidos valores de corrente e energia nos dispositivos de proteção, fornecendo informações sobre as alternativas de proteção. / This work presents an evaluation of surges in low-voltage overhead distribution lines caused by direct lightning strikes in medium voltage lines. Some publications concerning the phenomenon are commented and several other studies used during the process of modeling of the components are also analysed. The main components of the distribution system were modeled and included. So, a typical distribution network topology (with the primary and secondary lines) was represented including its components: distribution transformer, insulators, surge arresters, loads and ground resistances. The performance of the developed models, whenever possible, was verified by laboratory tests. Some possibilities of the secondary protection were included. Parameters having major effect on the results, such as the lightning current amplitude and front time, the values of grounding resistances, the models of the loads and the lightning strike position were taken into consideration in the study. The results were obtained by simulations performed using the ATP (Alternative Transients Program). Waveforms are presented in order to provide information on the characteristics of the overvoltages in the consumers along the line. Currents, as well as energy absorbed by the low-voltage surge arresters are aldo presented and discussed, providing useful information about the performance of some protection alternatives.

Este trabalho apresenta um estudo de caracterização das impedâncias de entrada, em função da frequência, de instalações residenciais de baixa tensão e diversos equipamentos eletro-eletrônicos comumente encontrados. As respostas em frequência medidas são ajustadas e modeladas por redes RLC simples, mas efetivas, que podem ser utilizadas em qualquer programa computacional para simulações de transitórios. A faixa de frequências, até 5 MHz, permite o uso desses modelos em estudos associados a transitórios atmosféricos ou causados por chaveamentos. É importante ressaltar a existência de muito poucos trabalhos nesse assunto, pois, usualmente, as instalações de baixa tensão, ou os equipamentos conectados, são representadas por simples elementos concentrados, resistores, indutores ou capacitores. Por outro lado, sabe-se que os níveis de sobretensões em um sistema, ou instalação, são fortemente dependentes das cargas conectadas e, quanto mais precisos os modelos, melhores e mais confiáveis simulações são obtidas. Este trabalho inclui simulações com o programa computacional ATP utilizando os modelos desenvolvidos para avaliação de surtos em uma rede de distribuição típica submetida a descargas atmosféricas diretas no circuito primário. Além disso, utilizando o programa Pspice, são realizadas simulações da resposta interna de uma instalação residencial, com diversos equipamentos conectados, e submetida a surtos atmosféricos em sua entrada. O trabalho concentra informações práticas e úteis sobre estudos de surtos em sistemas e instalações de baixa tensão / This work presents a study of impedance characteristics, over a wide range of frequencies, of residential low-voltage installations and electric-electronic appliances, commonly found in residential installations. The measured frequency responses are fitted and modeled by simple, but effective, RLC networks, that can be used in any software for transient simulations. The range of frequencies, up to 5 MHz, allows the use of these models considering lightning or switching studies. It is of importance to point the lack of publications focusing this topic, because usually the low-voltage installations, or connected equipment, are represented by simple lumped components inductances, resistances or capacitances. Otherwise, it is well known that the overvoltage level of a system, or installation, is strongly dependent on the connected loads and for more precise models, better and more reliable simulation results are obtained. This work includes ATP software simulations using the developed models for evaluation of surges in a typical distribution network subjected to direct lightning strikes at the primary circuit. Furthermore, simulations of internal response of a low-voltage installation with connected equipment and subjected to lightning surges in its entrance is performed using the Pspice software. The work summarizes practical and useful information about the low-voltage surge studies on low-voltage systems.

Este trabalho apresenta uma análise dos surtos em redes aéreas secundárias de distribuição causados por descargas atmosféricas diretas no circuito primário. Alguns trabalhos publicados sobre o fenômeno são comentados, sendo também analisados vários outros estudos relativos à modelagem de componentes. No trabalho, os principais componentes da rede foram modelados e incluídos na representação de uma topologia típica (com as linhas primária e secundária). Assim, foram considerados: transformador de distribuição, isoladores, pára-raios, cargas (consumidores) e resistências de aterramento. Os modelos foram validados, quando possível, através de ensaios em laboratório. Algumas alternativas de proteção da rede secundária foram consideradas. Foi verificada a influência de alguns parâmetros relevantes tais como amplitude e tempo de frente da corrente da descarga, resistências de aterramento, modelos de cargas e posição da descarga. Os resultados foram obtidos por simulações computacionais realizadas através do programa ATP (Alternative Transients Program). São apresentadas formas de onda de sobretensões nos consumidores. Também são apresentados e discutidos valores de corrente e energia nos dispositivos de proteção, fornecendo informações sobre as alternativas de proteção. / This work presents an evaluation of surges in low-voltage overhead distribution lines caused by direct lightning strikes in medium voltage lines. Some publications concerning the phenomenon are commented and several other studies used during the process of modeling of the components are also analysed. The main components of the distribution system were modeled and included. So, a typical distribution network topology (with the primary and secondary lines) was represented including its components: distribution transformer, insulators, surge arresters, loads and ground resistances. The performance of the developed models, whenever possible, was verified by laboratory tests. Some possibilities of the secondary protection were included. Parameters having major effect on the results, such as the lightning current amplitude and front time, the values of grounding resistances, the models of the loads and the lightning strike position were taken into consideration in the study. The results were obtained by simulations performed using the ATP (Alternative Transients Program). Waveforms are presented in order to provide information on the characteristics of the overvoltages in the consumers along the line. Currents, as well as energy absorbed by the low-voltage surge arresters are aldo presented and discussed, providing useful information about the performance of some protection alternatives.

Este trabalho apresenta um estudo de caracterização das impedâncias de entrada, em função da frequência, de instalações residenciais de baixa tensão e diversos equipamentos eletro-eletrônicos comumente encontrados. As respostas em frequência medidas são ajustadas e modeladas por redes RLC simples, mas efetivas, que podem ser utilizadas em qualquer programa computacional para simulações de transitórios. A faixa de frequências, até 5 MHz, permite o uso desses modelos em estudos associados a transitórios atmosféricos ou causados por chaveamentos. É importante ressaltar a existência de muito poucos trabalhos nesse assunto, pois, usualmente, as instalações de baixa tensão, ou os equipamentos conectados, são representadas por simples elementos concentrados, resistores, indutores ou capacitores. Por outro lado, sabe-se que os níveis de sobretensões em um sistema, ou instalação, são fortemente dependentes das cargas conectadas e, quanto mais precisos os modelos, melhores e mais confiáveis simulações são obtidas. Este trabalho inclui simulações com o programa computacional ATP utilizando os modelos desenvolvidos para avaliação de surtos em uma rede de distribuição típica submetida a descargas atmosféricas diretas no circuito primário. Além disso, utilizando o programa Pspice, são realizadas simulações da resposta interna de uma instalação residencial, com diversos equipamentos conectados, e submetida a surtos atmosféricos em sua entrada. O trabalho concentra informações práticas e úteis sobre estudos de surtos em sistemas e instalações de baixa tensão / This work presents a study of impedance characteristics, over a wide range of frequencies, of residential low-voltage installations and electric-electronic appliances, commonly found in residential installations. The measured frequency responses are fitted and modeled by simple, but effective, RLC networks, that can be used in any software for transient simulations. The range of frequencies, up to 5 MHz, allows the use of these models considering lightning or switching studies. It is of importance to point the lack of publications focusing this topic, because usually the low-voltage installations, or connected equipment, are represented by simple lumped components inductances, resistances or capacitances. Otherwise, it is well known that the overvoltage level of a system, or installation, is strongly dependent on the connected loads and for more precise models, better and more reliable simulation results are obtained. This work includes ATP software simulations using the developed models for evaluation of surges in a typical distribution network subjected to direct lightning strikes at the primary circuit. Furthermore, simulations of internal response of a low-voltage installation with connected equipment and subjected to lightning surges in its entrance is performed using the Pspice software. The work summarizes practical and useful information about the low-voltage surge studies on low-voltage systems.

A maior parte das concessionárias de energia elétrica brasileiras normalmente não trata as falhas em transformadores de distribuição como um problema relevante sob ponto de vista financeiro, uma vez que qualquer ação preventiva para minimizar o problema dentro da realidade atual pode ser mais onerosa. Portanto, políticas adequadas para investigar as falhas de transformadores de distribuição são geralmente relegadas a segundo plano ou às vezes nem existem. Neste contexto, a informação existente em falhas de transformadores pode não conter dados importantes. No entanto, novas leis que afetam as concessionárias de energia estão mais severas e demandam por maior eficiência por parte delas. Neste novo cenário, uma metodologia forense, criada há muitos anos por várias concessionárias para analisar falhas em transformadores de distribuição, foi recentemente resgatada com a análise de 3159 equipamentos. Essa metodologia é conhecida como Metodologia Forense para Transformadores de Distribuição (MFTD) e será utilizada como ferramenta de diagnóstico para estudos de casos. Novos testes e ensaios como medição de resistência de isolamento, índice de absorção dielétrica e polarização, análise físico-química entre outros, serão agregados à metodologia forense para aprimorá-la. Além disso, os para-raios, sendo parte do sistema de proteção de transformadores de distribuição, também são estudados com o objetivo de verificar possíveis falhas de projeto e desafios a serem superados. / Most Brazilian utility companies normally do not treat failures in distribution transformers as a relevant problem in large financial point of view, since any preventive action to minimize them within the current reality can be more costly. Thus, proper policies for investigating faults in distribution transformers are usually disregarded by the power utilities and sometimes policies may not even exist. In this context, existing information on faulty distribution transformers may not contain important data. However, new laws affecting power distribution companies are becoming more severe and there are demands for greater efficiency. In this new scenario, a forensic methodology to analyse faults in distribution transformers, created some years ago by many utilities, has recently been resurrected with the analysis of 3,159 distribution transformers. This methodology is known as Forensic Analysis Applied to Distribution Transformers (FAADT). New tests and trials as measuring insulation resistance, polarization index and dielectric absorption, physical and chemical analysis among others, will be added to the forensic methodology to improve it. Moreover, the surge-arresters, being part of the system of protection of distribution transformers, are also studied in order to evaluate possible design flaws and challenges to overcome.

A maior parte das concessionárias de energia elétrica brasileiras normalmente não trata as falhas em transformadores de distribuição como um problema relevante sob ponto de vista financeiro, uma vez que qualquer ação preventiva para minimizar o problema dentro da realidade atual pode ser mais onerosa. Portanto, políticas adequadas para investigar as falhas de transformadores de distribuição são geralmente relegadas a segundo plano ou às vezes nem existem. Neste contexto, a informação existente em falhas de transformadores pode não conter dados importantes. No entanto, novas leis que afetam as concessionárias de energia estão mais severas e demandam por maior eficiência por parte delas. Neste novo cenário, uma metodologia forense, criada há muitos anos por várias concessionárias para analisar falhas em transformadores de distribuição, foi recentemente resgatada com a análise de 3159 equipamentos. Essa metodologia é conhecida como Metodologia Forense para Transformadores de Distribuição (MFTD) e será utilizada como ferramenta de diagnóstico para estudos de casos. Novos testes e ensaios como medição de resistência de isolamento, índice de absorção dielétrica e polarização, análise físico-química entre outros, serão agregados à metodologia forense para aprimorá-la. Além disso, os para-raios, sendo parte do sistema de proteção de transformadores de distribuição, também são estudados com o objetivo de verificar possíveis falhas de projeto e desafios a serem superados. / Most Brazilian utility companies normally do not treat failures in distribution transformers as a relevant problem in large financial point of view, since any preventive action to minimize them within the current reality can be more costly. Thus, proper policies for investigating faults in distribution transformers are usually disregarded by the power utilities and sometimes policies may not even exist. In this context, existing information on faulty distribution transformers may not contain important data. However, new laws affecting power distribution companies are becoming more severe and there are demands for greater efficiency. In this new scenario, a forensic methodology to analyse faults in distribution transformers, created some years ago by many utilities, has recently been resurrected with the analysis of 3,159 distribution transformers. This methodology is known as Forensic Analysis Applied to Distribution Transformers (FAADT). New tests and trials as measuring insulation resistance, polarization index and dielectric absorption, physical and chemical analysis among others, will be added to the forensic methodology to improve it. Moreover, the surge-arresters, being part of the system of protection of distribution transformers, are also studied in order to evaluate possible design flaws and challenges to overcome.

Submitted by Hellen Luz (hellencrisluz@gmail.com) on 2017-10-03T18:21:28Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AnaliseSensoresDescargas.pdf: 11724147 bytes, checksum: 8ee5f4831d064a9418414ffbd371fbbc (MD5) / Rejected by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br), reason: on 2017-10-10T17:03:38Z (GMT) / Submitted by Hellen Luz (hellencrisluz@gmail.com) on 2017-10-16T14:26:53Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AnaliseSensoresDescargas.pdf: 11724147 bytes, checksum: 8ee5f4831d064a9418414ffbd371fbbc (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-11-13T16:21:47Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AnaliseSensoresDescargas.pdf: 11724147 bytes, checksum: 8ee5f4831d064a9418414ffbd371fbbc (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-13T16:21:47Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AnaliseSensoresDescargas.pdf: 11724147 bytes, checksum: 8ee5f4831d064a9418414ffbd371fbbc (MD5) Previous issue date: 2014-02-24 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Este trabalho propõe o projeto de um protótipo de um sensor de descargas atmosféricas, que irá; contabilizar o número de descargas detectadas, calcular a densidade de raios para a área de atuação do sensor e estimar o pico da variação do campo elétrico para o instante de ocorrência da descarga. Um estudo sobre a eletricidade atmosférica, tipos de raios, emissão de ondas eletromagnéticas durante tempestades, tipos de sensores eletromagnéticos e redes de detecção de raios deram subsídio para o projeto do protótipo desenvolvido. O protótipo é constituído por duas antenas, uma antena Loop e uma antena Flat plate, e por circuitos eletrônicos, os quais são implementados em sua maioria no dispositivo PSoC (Programmable System-on-Chip), que trabalha com sinais analógicos e digitais e ainda conta com uma CPU para realizar o processamento destes sinais. A validação dos dados obtidos e a estimativa da área de abrangência do sensor, foram baseados em dados da rede STARNET (Sferics Timing And Ranging NETwork). O protótipo foi idealizado para ser de baixo custo, ter uma interface simples e poder ser instalado na região amazônica. / This work proposes the design of a prototype for detect lightning, which will, count the number of lightning detected, calculate the density of lightning to the area of operation of the sensor and to estimate the peak of the variation of the electric field for the instant occurrence of discharge. A study of atmospheric electricity, types of lightning, emission of electromagnetic waves during the occurrence of the lightning , types of electromagnetic sensors and lightning detection networks gave subsidy to the design of the prototype . The prototype consists of two antennas, one loop antenna and a flat plate antenna , and electronic circuits , these electronic circuits are implemented mostly in PSoC device ( Programmable System -on - Chip ) , which is a relatively new technology that works with analog and digital signals and also has a CPU to perform the processing of these signals . The validation of the data obtained and estimated coverage area of the sensor, were based on data from STARNET network (sferics Timing And Ranging NETwork). The prototype was designed to be low cost, have a simple and straightforward interface and can be installed in the Amazon region.