Orientadores: José Pissolato Filho, Pierre Kaufmann

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação

Resumo: A atual dependência da sociedade aos diversos sistemas tecnológicos em funcionamento na Terra traz uma constante preocupação pela sua vulnerabilidade a fatores menos conhecidos. As possíveis falhas no fornecimento de energia elétrica podem ocasionar transtornos de grande impacto às...

Resumo: A atual dependência da sociedade aos diversos sistemas tecnológicos em funcionamento na Terra traz uma constante preocupação pela sua vulnerabilidade a fatores menos conhecidos. As possíveis falhas no fornecimento de energia elétrica podem ocasionar transtornos de grande impacto às comunidades podendo acarretar perdas financeiras expressivas. Diversos fatores podem ocasionar falhas nas linhas de transmissão, entre eles, os fatores climáticos. Nesse contexto, são pouco conhecidas as influências qualitativas de distintos fatores, destacando-se os efeitos do denominado clima espacial. Há indicações que o clima espacial influencia a alta atmosfera terrestre, com repercussão no clima bem como em sistemas de engenharia em operação na Terra. As redes de transmissão de alta tensão representam um grande circuito elétrico pouco acima do solo sujeito a uma série de sobrecargas temporárias de vários tipos, algumas das quais podem levar a falhas. Algumas destas falhas podem estar relacionadas ao ambiente geofísico. Neste trabalho foi analisada uma base de dados sem precedentes de falhas em linhas de transmissão por um longo período (nove anos) numa grande malha localizada no Estado de São Paulo (sudeste do Brasil). O período estudado (1998-2006) compreende uma significativa fração do ciclo de atividade solar 23. A concessionária responsável (ISA.CTEEP) pela operação das linhas estudadas classifica as falhas em noventa e cinco tipos distintos de causas possíveis, sendo que a maior parte está relacionada às descargas atmosféricas. Este estudo está relacionado aos desligamentos devido às descargas atmosféricas, em duas redes de alta voltagem da companhia, de 138 kV e de 440 kV. No período estudado, estes desligamentos correspondem a 1.957 (42,80%) num total de 4.572 para a linha de 138 kV e de 170 (22,28%) sobre 763 para a linha de 440 kV. Equivale a menos de um a cada dez mil do número total de descargas atmosféricas ocorridas na mesma área, o que demonstra alta resiliência das redes de potência em relação aos raios. Durante a época das chuvas, há uma maior concentração de desligamentos. Para todo o período estudado houve redução de 67% e 77% no número de desligamentos devido às descargas atmosféricas, para as linhas de 138 kV e 440 kV, respectivamente, havendo uma boa correspondência com a redução do número de manchas solares. Nenhuma correlação foi encontrada em relação às atividades geomagnéticas caracterizadas pelo índice planetário (Kp) e pelas grandes tempestades (Dst) tanto em longos quanto em curtos prazos. Uma explicação sugerida associa a diminuição da atividade solar ao aumento da condutividade na atmosfera causada pelo maior fluxo de raios cósmicos. Consequentemente poderá ocorrer uma redução do limiar de voltagem necessário para produzir descargas atmosféricas para provocar desligamentos nas redes de alta voltagem. O circuito elétrico global descrito pelo acoplamento ionosfera-terra (a eletrosfera) exerce um papel importante para explicar a redução dos desligamentos. Com o aumento da condutividade atmosférica as descargas são menos potentes, resultando em menor número de desligamentos com o decréscimo do ciclo solar

Abstract: The current society dependence on the operating technological systems on the Earth brings a permanent concern for their vulnerability to not well known factors. Possible failures in electricity supply can cause inconveniences with large impact to the communities, which may cause...

Abstract: The current society dependence on the operating technological systems on the Earth brings a permanent concern for their vulnerability to not well known factors. Possible failures in electricity supply can cause inconveniences with large impact to the communities, which may cause significant financial losses. Different factors can cause failures in the transmission networks, including, climate factors. In this context, the influences of various qualitative factors, especially the effects of space weather are not well known. There are indications that space weather affects the upper atmosphere, with repercussions on the climate as well as in engineering systems in operation on Earth. High-voltage transmission networks represent large electrical circuits just above the ground which are subjected to a number of transient overcharges of various kinds, some of which may lead to failures. Some failures might be related to anomalies of the geophysical environment. In the present study we analyze a database consisting in a one unprecedented long series of transmission grid failures (nine years) on high-voltage networks located in São Paulo state (southeastern Brazil). The studied period (1998-2006) includes an important fraction of the solar activity cycle 23. The company responsible by the power grid operator (ISA.CTEEP) classifies causes in ninety-five distinct failure classes to explain the transmission grid shut downs. Most of the failures were attributed to atmospheric discharges. We have studied the failures attributed to atmospheric discharge, in the two power grids of the company, 138 kV and 440 kV. The failures attributed to atmospheric discharge correspond to 1.957 (42.80%) for a total 4.572 at 138 kV and to 170 (22.8%) out of 763 at 440 kV. They correspond to less than one ten thousandth of the actual number of atmospheric discharges recorded in the same area, demonstrating the grid's high resilience to breakdowns due to lightning. A clear concentration of failures in the region's thunderstorm season has been found. A significant 67% and 77% reduction in the number of failure rates has been found for the 138 and 440 kV grids, respectively, for the period studied, in good correspondence with the decay in the sunspot numbers. No obvious correlation was found between power failures and geomagnetic activity, represented by (Kp) the planetary index or major geomagnetic storms (Dst) in the period, either on short or on long time scales. One suggested explanation associates the decrease in solar activity to the increased conductivity in the atmosphere caused by increase cosmic ray flux. Consequently there may be a reduction in the threshold voltage necessary to produce discharge atmospheric to cause failures in high-voltage grids. The global electric circuit described by the ionosphere-ground coupling (the electrosphere), plays an important role in explaining the reduction the failures. With increase in conductivity atmospheric discharges are less potent, resulting in fewer failures with the decreasing solar cycle