As características das correntes das descargas atmosféricas têm fundamental importância na coordenação de isolamento e nos projetos de equipamentos de sistemas de transmissão e de distribuição de energia. As curvas de distribuição de freqüência cumulativa da CIGRE relativas aos principais parâmetros da primeira e das descargas subseqüentes, freqüentemente utilizadas para avaliar o desempenho das linhas de transmissão e distribuição, se referem a dados obtidos através da medição de correntes de descargas negativas em estruturas elevadas. Entretanto, as correntes medidas nesses objetos podem apresentar distorções associadas às diferenças de impedâncias entre o canal, o objeto e o aterramento. Em outras palavras, a corrente em tais objetos pode variar substancialmente em função do ponto escolhido para medição, bem como apresentar diferenças significativas em relação à corrente no canal da descarga. Essas correntes são denominadas “contaminadas". As curvas da CIGRE relativas às amplitudes, tempos de frente e taxas de crescimento das correntes se referem às correntes “contaminadas", uma vez que as reflexões que ocorrem no topo e na base de objetos elevados não foram levadas em consideração no processo de construção dessas curvas. Assim, o tratamento desses dados necessita ser revisto. Por outro lado, o termo "corrente descontaminada" se refere à corrente que fluiria através do canal da descarga caso os coeficientes de reflexão no topo e na base do objeto fossem iguais a zero. Neste trabalho, por meio de uma ferramenta computacional desenvolvida, diversos aspectos relacionados aos processos de “contaminação" e “descontaminação" de correntes são discutidos, com especial atenção no que se refere às influências dos vários parâmetros do sistema "canal-objeto-aterramento" no comportamento espaço-temporal da corrente. É também apresentada uma discussão acerca das características de uma corrente de descarga medida na base de uma torre de 62,5 m de altura localizada no Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo. / The characteristics of lightning currents have a fundamental importance on insulation coordination and on the design of transmission and distribution lines equipment. The CIGRE cumulative frequency distribution curves relative to the main parameters of the first and subsequent downward flashes, which are very frequently used for the evaluation of the lightning performance of transmission and distribution lines, refers to data obtained from negative current measurements from tall instrumented structures. However, currents measured on elevated objects may present distortions associated with differences on the impedances of the lightning channel, the strike object and the grounding system. In other words, the current in such objects may, in some circumstances, depend significantly on the measuring point and differ substantially from the current that flows along the lightning channel. These currents are called "contaminated". The curves regarding current magnitudes, front times and rates of rise presented in CIGRE refer to these "contaminated" currents, since the reflections that occur at the base and at the top of elevated strike objects were not taken into account in the processing of the data that led to those curves. The data should, thus, be reviewed. On the other hand, the term “decontaminated" current stands for the current that flows through the lightning channel assuming reflection coefficients at the bottom and at the top of the strike object equal to zero, i.e., the same impedances for the lightning channel, the elevated object and the grounding system. In this work a computer code was developed and several aspects related to the "contamination" and "decontamination" processes are discussed, with emphasis upon the influences of the various parameters of the system "lightning channel - strike object - grounding" on the stroke current. A discussion of the characteristics of a stroke current measured at the bottom of a 62,5 m high mast located at the Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo is also presented.

As características das correntes das descargas atmosféricas têm fundamental importância na coordenação de isolamento e nos projetos de equipamentos de sistemas de transmissão e de distribuição de energia. As curvas de distribuição de freqüência cumulativa da CIGRE relativas aos principais parâmetros da primeira e das descargas subseqüentes, freqüentemente utilizadas para avaliar o desempenho das linhas de transmissão e distribuição, se referem a dados obtidos através da medição de correntes de descargas negativas em estruturas elevadas. Entretanto, as correntes medidas nesses objetos podem apresentar distorções associadas às diferenças de impedâncias entre o canal, o objeto e o aterramento. Em outras palavras, a corrente em tais objetos pode variar substancialmente em função do ponto escolhido para medição, bem como apresentar diferenças significativas em relação à corrente no canal da descarga. Essas correntes são denominadas “contaminadas”. As curvas da CIGRE relativas às amplitudes, tempos de frente e taxas de crescimento das correntes se referem às correntes “contaminadas”, uma vez que as reflexões que ocorrem no topo e na base de objetos elevados não foram levadas em consideração no processo de construção dessas curvas. Assim, o tratamento desses dados necessita ser revisto. Por outro lado, o termo "corrente descontaminada” se refere à corrente que fluiria através do canal da descarga caso os coeficientes de reflexão no topo e na base do objeto fossem iguais a zero. Neste trabalho, por meio de uma ferramenta computacional desenvolvida, diversos aspectos relacionados aos processos de “contaminação” e “descontaminação” de correntes são discutidos, com especial atenção no que se refere às influências dos vários parâmetros do sistema "canal-objeto-aterramento" no comportamento espaço-temporal da corrente. É também apresentada uma discussão acerca das características de uma corrente de descarga medida na base de uma torre de 62,5 m de altura localizada no Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo. / The characteristics of lightning currents have a fundamental importance on insulation coordination and on the design of transmission and distribution lines equipment. The CIGRE cumulative frequency distribution curves relative to the main parameters of the first and subsequent downward flashes, which are very frequently used for the evaluation of the lightning performance of transmission and distribution lines, refers to data obtained from negative current measurements from tall instrumented structures. However, currents measured on elevated objects may present distortions associated with differences on the impedances of the lightning channel, the strike object and the grounding system. In other words, the current in such objects may, in some circumstances, depend significantly on the measuring point and differ substantially from the current that flows along the lightning channel. These currents are called "contaminated". The curves regarding current magnitudes, front times and rates of rise presented in CIGRE refer to these "contaminated" currents, since the reflections that occur at the base and at the top of elevated strike objects were not taken into account in the processing of the data that led to those curves. The data should, thus, be reviewed. On the other hand, the term “decontaminated” current stands for the current that flows through the lightning channel assuming reflection coefficients at the bottom and at the top of the strike object equal to zero, i.e., the same impedances for the lightning channel, the elevated object and the grounding system. In this work a computer code was developed and several aspects related to the "contamination" and "decontamination" processes are discussed, with emphasis upon the influences of the various parameters of the system "lightning channel - strike object - grounding" on the stroke current. A discussion of the characteristics of a stroke current measured at the bottom of a 62,5 m high mast located at the Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo is also presented.

In the design of most of the modern systems, lightning threat needs to be considered at the design phase itself. This demands a suitable model and owing to associated complexity, only simplified modeling have been attempted. As a consequence, it does not provide adequate insight into the phenomena. Considering these, a more realistic time-¬ domain electromagnetic model for the return stroke current evolution has been developed by incorporating the following underlying physical processes: (i) excitation formed by the electric field due to charge distribution along the channel, cloud and that induced on ground, (ii) the transient enhancement of series conductance at the bridging regime, which initiates the return stroke,( iii) the non¬linear variation of channel conductance along with (iv) the associated dynamic Electromagnetic Fields(EMFs) that supports the current evolution. The intended modeling begins from the instant of bridging and the pre-¬return stroke charge distribution along the channel is calculated using Charge Simulation Method(CSM). For the calculation of dynamic EMFs, the thin wire Time Domain Electric Field Integral Equation(TD¬EFIE) is employed The transient enhancement of conductance at the bridging/streamer region is emulated using Toepler’s spark law while that along the matured section of the channel is described by first order arc model. The macroscopic physical model developed depicts most of the salient features of current evolution and resulting remote electromagnetic fields in a self¬ consistent manner. The work is not limited by the simplifications adopted for the channel geometry. The strength of the model was exploited for investigating a couple of practically important questions, one of which had divided opinion in the literature. Firstly, analysis showed that the "secondary" current waves generated by successive reflection within struck TGO and that fed by branches do not get reflected at the main wave front. It is shown that the dynamic spatial resistance profile of the channel at the main wave front is primarily responsible for this behavior. Secondly, it is shown that the abrupt change in radii at TGO ¬channel junction is mainly responsible for reflection at the junction. In summary, a novel time-¬domain macroscopic physical model for the first return stroke of a downward cloud¬-to-¬ ground lightning has been successfully developed, which is capable of providing much deeper insight in to the complex phenomena.

As descargas atmosféricas são reconhecidamente responsáveis por uma parcela expressiva das interrupções não programadas de fornecimento de energia em sistemas elétricos, contribuindo de forma significativa para a composição dos índices de qualidade de energia mesmo no caso de regiões com níveis ceráunicos moderados. No caso de sistemas de distribuição, grande parte dos problemas está relacionada às sobretensões induzidas por descargas próximas às linhas, as quais decorrem dos campos elétrico e magnético, associados à corrente que se propaga ao longo do canal da descarga. O conhecimento das características de tais campos é, portanto, fundamental para a determinação das sobretensões induzidas nas linhas aéreas de energia. Embora a importância do tema tenha propiciado nos últimos anos o desenvolvimento de um grande número de pesquisas a respeito dos campos eletromagnéticos e das tensões induzidas por descargas atmosféricas, na grande maioria dos trabalhos o solo é representado através de um plano condutor perfeito, portanto com condutividade infinita. Embora tal simplificação possa, em geral, ser considerada válida para a indução magnética e para o campo elétrico vertical, ela não é aplicável ao campo elétrico horizontal, em especial no caso de solos com alta resistividade. Este estudo visa avaliar o comportamento dos campos elétrico (vertical e horizontal) e indução magnética gerados por descargas atmosféricas nuvem-terra, levando em consideração os parâmetros da descarga (amplitude, forma de onda e velocidade de propagação da corrente) e os diferentes modelos para representação do canal da descarga. Além do caso de solo perfeitamente condutor, são consideradas situações mais realistas, isto é, verificando-se a influência, nos campos, de parâmetros como a resistividade e permissividade do solo. / The occurrence of lightning discharges causes a significant amount of unscheduled supply interruptions in overhead lines of electricity systems, contributing to decrease quality indicators of these systems, even in the case of regions with moderated ground flash density. Focusing on the distribution systems, great part of the problems are related to the induced voltages due to lightning discharges in the vicinity of overhead lines, which results from the electric and magnetic fields associated with the current propagation along the return stroke channel. The knowledge of the characteristics of lightning electromagnetic fields is, therefore, crutial for determining induced voltages on overhead lines. Although the importance of the assumption has propitiated in the last years the development of a great number of research concerning the lightning electromagnetic fields and induced voltages on overhead lines, in most of the studies the hypothesis of a perfect conducting ground is assumed. While such assumption can be considered valid for magnetic induction field and for the vertical component of the electric field, it doesn’t apply to the horizontal electric field, especially in the case of ground with high resistivity. The aim of this work is to present and to discuss the characteristics of the electric field (vertical and horizontal components) and magnetic induction generated by the cloud-to-ground lightning discharge, taking into account the lightning parameters (amplitude, waveform and propagation speed of the return stroke current) and the different return stroke models. Besides the case of perfect conducting ground, the influences of the ground permittivity and finite conductivity in the calculation of the electromagnetic fields are so considered.

As descargas atmosféricas são reconhecidamente responsáveis por uma parcela expressiva das interrupções não programadas de fornecimento de energia em sistemas elétricos, contribuindo de forma significativa para a composição dos índices de qualidade de energia mesmo no caso de regiões com níveis ceráunicos moderados. No caso de sistemas de distribuição, grande parte dos problemas está relacionada às sobretensões induzidas por descargas próximas às linhas, as quais decorrem dos campos elétrico e magnético, associados à corrente que se propaga ao longo do canal da descarga. O conhecimento das características de tais campos é, portanto, fundamental para a determinação das sobretensões induzidas nas linhas aéreas de energia. Embora a importância do tema tenha propiciado nos últimos anos o desenvolvimento de um grande número de pesquisas a respeito dos campos eletromagnéticos e das tensões induzidas por descargas atmosféricas, na grande maioria dos trabalhos o solo é representado através de um plano condutor perfeito, portanto com condutividade infinita. Embora tal simplificação possa, em geral, ser considerada válida para a indução magnética e para o campo elétrico vertical, ela não é aplicável ao campo elétrico horizontal, em especial no caso de solos com alta resistividade. Este estudo visa avaliar o comportamento dos campos elétrico (vertical e horizontal) e indução magnética gerados por descargas atmosféricas nuvem-terra, levando em consideração os parâmetros da descarga (amplitude, forma de onda e velocidade de propagação da corrente) e os diferentes modelos para representação do canal da descarga. Além do caso de solo perfeitamente condutor, são consideradas situações mais realistas, isto é, verificando-se a influência, nos campos, de parâmetros como a resistividade e permissividade do solo. / The occurrence of lightning discharges causes a significant amount of unscheduled supply interruptions in overhead lines of electricity systems, contributing to decrease quality indicators of these systems, even in the case of regions with moderated ground flash density. Focusing on the distribution systems, great part of the problems are related to the induced voltages due to lightning discharges in the vicinity of overhead lines, which results from the electric and magnetic fields associated with the current propagation along the return stroke channel. The knowledge of the characteristics of lightning electromagnetic fields is, therefore, crutial for determining induced voltages on overhead lines. Although the importance of the assumption has propitiated in the last years the development of a great number of research concerning the lightning electromagnetic fields and induced voltages on overhead lines, in most of the studies the hypothesis of a perfect conducting ground is assumed. While such assumption can be considered valid for magnetic induction field and for the vertical component of the electric field, it doesn’t apply to the horizontal electric field, especially in the case of ground with high resistivity. The aim of this work is to present and to discuss the characteristics of the electric field (vertical and horizontal components) and magnetic induction generated by the cloud-to-ground lightning discharge, taking into account the lightning parameters (amplitude, waveform and propagation speed of the return stroke current) and the different return stroke models. Besides the case of perfect conducting ground, the influences of the ground permittivity and finite conductivity in the calculation of the electromagnetic fields are so considered.