O relâmpago é um dos fenômenos naturais mais belos e poderosos da tecnologia de alta tensão. Os relâmpagos, com suas impressionantes exibições de energia elétrica, cativaram e fascinaram as pessoas durante séculos. Além do seu espetáculo visual, os relâmpagos também apresentam desafios e considerações significativas em diversas áreas, incluindo transmissão de energia, proteção contra sobretensões e resiliência da infraestrutura. A descarga da nuvem carregada para a terra é chamada de fenômeno relâmpago.
Análise de descargas atmosféricas: tensão, corrente e potência
O raio é um fenômeno natural poderoso que se manifesta como uma descarga repentina e intensa de energia elétrica na atmosfera. Eles são acompanhados por um clarão de luz brilhante e um som estrondoso característico chamado trovão. Compreender as características de tensão, corrente e potência das descargas atmosféricas na tecnologia de alta tensão é crucial para avaliar os seus efeitos potenciais e para desenvolver sistemas de proteção eficazes.
É um pico de descarga em que a carga se acumula nas nuvens e é descarregada em uma nuvem vizinha ou no solo.
O raio é a grande faísca produzida por uma descarga abrupta e descontínua de eletricidade através do ar proveniente das nuvens, geralmente sob condições turbulentas, com incidência de luz.
Os valores representativos de um raio são os seguintes:
Tensão: 2 x 108 volts; 200 MV (pico)
Corrente: 4 x 44 amperes
Duração: 10-5 segundos
KW: 8×109
kWh: 22
Tensão
Tensões extremamente altas ocorrem durante descargas atmosféricas. Os níveis de tensão associados à queda de raios podem atingir níveis enormes, muitas vezes excedendo 100 milhões de volts (100 MV). Essas tensões de pico surgem do enorme acúmulo de carga durante tempestades, que acaba sendo descarregada como um raio.
Atual
Os níveis de corrente associados às descargas atmosféricas podem ser igualmente notáveis. Eles normalmente variam de dezenas de milhares a centenas de milhares de amperes. Em média, um raio típico pode ter uma corrente de cerca de 30.000 amperes, embora isso possa variar significativamente de descarga para descarga.
Desempenho
A análise do poder associado às descargas atmosféricas fornece informações sobre seu potencial poder destrutivo. A capacidade é calculada multiplicando os valores de tensão e corrente. Os relâmpagos podem gerar enormes quantidades de energia, muitas vezes atingindo bilhões de watts (gigawatts). A potência de uma descarga atmosférica pode exceder 10^9 watts (1 GW), tornando-a um evento imensamente energético.
Duração de tempo
As descargas atmosféricas ocorrem rapidamente e geralmente duram apenas uma fração de segundo. A duração de um raio é relativamente curta, geralmente em torno de 0,1 microssegundos (10^-7 segundos). No entanto, vários flashes podem ocorrer dentro do mesmo raio, aumentando a duração total da descarga.
Causas e efeitos de surtos
Existem muitos fatores que afetam a formação ou acúmulo de carga nas nuvens e eles não são bem definidos. No entanto, durante tempestades, as cabeças de carga positiva e negativa na sombra são separadas por fortes correntes de ar, formando cristais de gelo na parte superior da nuvem e chuva nas partes inferiores da nuvem.
A distância entre as nuvens e o solo é muito grande, talvez até 10.000 m, mas isso depende da altura das sombras. O gradiente máximo de tensão alcançado por uma nuvem no solo pode ser de até 300 V por cm.
Um modelo provável de distribuição de carga conforme mostrado na figura a seguir com o gradiente de campo correspondente próximo ao solo:
De acordo com a teoria de Simpson, existem três áreas principais na nuvem para a formação de cargas. Abaixo da parte A (ver figura), as correntes de ar se movem a mais de 800 cm/s e nenhuma gota de chuva cai. Na área A, a velocidade do ar é alta o suficiente para quebrar as gotas de chuva que caem, espalhando uma carga positiva na nuvem e tornando o ar carregado negativamente. A fonte é soprada para cima, mas à medida que a velocidade do ar diminui, as gotas de água carregadas positivamente combinam-se com as bolhas maiores e caem novamente. Em última análise, a área A torna-se predominantemente carregada positivamente, enquanto a área B acima fica carregada negativamente pelas correntes de ar. Nas partes superiores da nuvem a temperatura é apenas congelante e só existem cristais de gelo. O impacto do ar sobre esses cristais faz com que eles fiquem carregados negativamente. Portanto, a distribuição de carga dentro da nuvem é mostrada acima.
Efeitos em sistemas de alta tensão
Quedas de raios podem causar uma variedade de deficiências em sistemas de tecnologia de alta tensão:
Danos ao equipamento
Dispositivos elétricos sensíveis, como transformadores, disjuntores e eletrônicos de potência, podem sofrer danos irreversíveis devido ao alto conteúdo energético das descargas atmosféricas.
Falhas na linha de transmissão
Quedas de raios diretos ou próximos podem causar picos de tensão que interrompem a transmissão de energia e levam a interrupções do serviço.
Falha de isolamento
Os elevados campos elétricos associados aos raios podem causar quebras de isolamento e descargas elétricas, comprometendo a confiabilidade dos sistemas de energia.
Problemas de aterramento
O aterramento inadequado de equipamentos de alta tensão pode resultar em maior suscetibilidade a picos de tensão relacionados a raios.
Proteção e mitigação de raios: Para minimizar os efeitos dos raios na tecnologia de alta tensão, são tomadas várias medidas de proteção:
- Pára-raios: A instalação de pára-raios em edifícios altos pode fornecer um caminho preferencial para a queda de raios e direcionar com segurança a descarga elétrica para o solo.
- Pára-raios: Os pára-raios protegem os dispositivos contra sobretensões transitórias causadas por quedas de raios ou operações de comutação.
- Sistemas de aterramento: O aterramento adequado dos sistemas elétricos ajuda a dissipar com segurança a energia dos raios no solo.
- Blindagem e isolamento: Blindar equipamentos de alta tensão e melhorar o isolamento pode reduzir a probabilidade de danos causados por raios.
Conclusão
Compreender as propriedades e os efeitos das descargas atmosféricas é crucial na engenharia de alta tensão. A implementação de medidas adequadas de proteção contra raios pode melhorar a confiabilidade e a segurança dos sistemas elétricos, reduzir o tempo de inatividade e evitar danos extensos causados por este poderoso fenômeno natural.
