Ruído em Linhas de transmissão

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Caracterização do Ruído Audível Gerado por  Linhas de Transmissão Transmissão E. D. Freitas, G. C. Miranda, A. L. Senna, E. B. Giudice, Pós-graduação em Engenharia Elétrica, UFMG.

 Resumo  —Este

trabalho tem como objetivo a caracterização do ruído audível gerado por linhas de transmissão, através do nível critério de avaliação (NCA). O critério é aplicado em uma linha experimental monofásica e uma linha real em operação (525 kV). Os valores de LeqA obtidos na linha experimental apresentaram grande influência das freqüências baixas, principalmente aquelas relacionadas com os harmônicos pares - 120Hz e 240Hz. Na faixa de passagem da linha de 525kV, o ruído audível apresenta-se menor do que o previsto em norma. Em ambos os experimentos, os limites para conforto acústico foram ultrapassados.

Fig. 1. Limites de audibilidade do sistema auditivo humano.  Palavras Chave —Ruído Audível, Corona, Linhas de

Transmissão. Transmissão.

I. I NTRODUÇÃO Atualmente, cerca de 80% da população brasileira vive em cidades que apresentam crescimento desequilibrado, onde grandes concentrações de atividades sócio-econômicas trazem   problemas que comprometem as áreas de lazer e reservas naturais ecologicamente relevantes. Dentre os diversos tipos de degradação ambiental, a poluição acústica ocupa posição de destaque, pois o ruído audível excessivo é um problema sério que afeta a saúde e o bem-estar da população. Fisicamente, este ruído é um sinal acústico originado da superposição de vários movimentos de vibração com diferentes freqüências, as quais não apresentam relações entre si [1]. Devido a este crescimento desordenado das grandes cidades, as linhas de transmissão de energia tem-se tornado uma fonte de ruído preocupante. O ruído audível em linhas de transmissão origina-se do efeito corona. Este efeito surge na superfície dos condutores, quando o valor do gradiente de  potencial excede o valor do gradiente crítico disruptivo do ar. Variações climáticas contribuem para o aumento ou redução destes gradientes, provocando perdas, ruído eletromagnético, vibrações, entre outros [2]. Valores máximos de ruído audível são normalmente limitados na faixa de passagem das linhas, obtidos a partir de expressões empíricas durante o projeto de coordenação de isolamento. Em sua dissertação de mestrado, Junior [3] apresentou como valor máximo o nível de ruído audível de 46 dBA para linhas de transmissão urbanas compactas, valor este bem abaixo dos valores limites especificados pela ANEEL (58 dBA). dB A). O ruído ambiental em áreas urbanas é avaliado segundo curvas Este trabalho obteve suporte financeiro da CEMIG (Companhia Energética Energética de Minas Gerais). E. D. Freitas, Aluno  Aluno do PPGEE, UFMG (e-mail: [email protected]). G. C. Miranda, Pr. Dr. do PPGEE, UFMG (e-mail: [email protected]). [email protected]). A.L.Senna,  Aluno do PPGEE, UFMG (e-mail: [email protected]). [email protected]). E.B.Giudice, Aluno do PPGEE, UFMG (e-mail: [email protected]).

 NCA (Nível Critério de Avaliação), cada curva, representa o limite de ruído, tendo em vista o conforto acústico do ambiente [9]. Este trabalho mostra o comportamento do ruído audível em uma linha experimental monofásica (com variação do gradiente de potencial), e em uma linha real em operação (525 kV), relacionando seus valores com os critérios NCA. II. PERCEPÇÃO HUMANA O ouvido humano é excitado por ondas sonoras com freqüências situadas entre 20 Hz e 20 kHz (figura (1)). As ondas sonoras que apresentam freqüências inferiores a 20 Hz são denominadas de infra-sônicas e as que possuem freqüências superiores a 20 kHz de ultra-sônicas. O ouvido distingue no som certas características, altura, timbre e intensidade. A altura está associada à freqüência do som. O timbre permite a distinção entre dois sons de mesma freqüência e intensidade, provenientes de fontes distintas. A intensidade permite a distinção entre um som forte e fraco (alta ou baixa intensidade). Conforme se aumenta a intensidade sonora, o ouvido humano fica cada vez menos sensível, ou melhor, precisa-se aumentar a intensidade exponencialmente  para que o ouvido tenha uma sensação de aumento linear do som. Como a intensidade acústica é proporcional ao quadrado da   pressão acústica, a intensidade sonora pode ser representada  pelo nível de pressão sonora (NPS), em dB,    P      NPS  = 20 log  P     ref   

(1)

onde P é pressão sonora instantânea e P ref  a pressão sonora de referência (20  Pa). Como o nível de pressão sonora tem grande variação no tempo, é possível estabelecer um nível equivalente (Leq), representado na equação (2), 1 T  NPS  (2)  L = 10 log dt  eq

∫ 

2 T  0  P ref 

onde T é o tempo de integração.

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Fig. 2. Curvas de compensação.

 Na figura (1), o limite inferior da região achurada representa a sensibilidade do aparelho auditivo. Pode-se perceber que uma mesma amplitude de pressão sonora, por exemplo 20 dB, é   perceptível a 1 kHz, mas não é perceptível na freqüência de 100 Hz. Para produzir a mesma audibilidade, são necessários diferentes níveis de pressão sonora, para diferentes freqüências. A maior sensibilidade do ouvido humano se dá entre 1 kHz e 5 kHz [4]. De forma geral, os sons agudos (acima de 1 kHz) são mais perceptíveis do que os sons graves (abaixo de 40 Hz). O limite superior da região achurada é dado pelo ponto inicial de sensação dolorosa, a qual define as   pressões sonoras máximas que o ouvido pode suportar sem sofrer dano. Uma vez que a percepção do ouvido humano varia de acordo com a freqüência, estabeleceu-se um sistema de curvas de compensação, designadas por letras, onde se corrigem os efeitos da percepção de acordo com a faixa de freqüências considerada. A figura (2) apresenta as escalas mais comuns e a forma como é feito este ajuste. O uso de uma determinada curva de compensação depende da aplicação e da norma específica para cada caso. A curva de compensação A é a mais utilizada nas medições de ruído audível, pois mede a faixa percebida pelo ouvido humano com ênfase nas freqüências entre 500 Hz e 5 kHz, e representada pela letra A na unidade de NPS, dBA [4,5]. Dados estatísticos são freqüentemente aplicados para níveis sonoros com ponderação A e são chamados de níveis excedidos ou níveis L [3]. Uma forma de avaliar o ruído audível é a aplicação das curvas de Nível Critério de Avaliação, que estão contidas na legislação brasileira [9]. São várias curvas representadas em um plano cartesiano que apresenta no eixo das abscissas as faixas de freqüências de oitava e no eixo das ordenadas, os níveis de pressão sonora (figura (3)). Cada curva representa um limite de ruído, tendo em vista o conforto acústico em função da percepção humana. A partir da curva NCA-15 até a curva NCA-30, considera-se um ambiente de muito conforto acústico, acima de NCA-30 até NCA-40, considera-se um ambiente aceitável, de NCA-40 até NCA-55 considera-se um ambiente de desconforto acústico, sem necessariamente implicar em danos a saúde. A curva NCA-55 atinge o valor de  NPS de aproximadamente 55 dBA em alta freqüência. Para a organização mundial de saúde, valores de NPS constantes acima deste nível tornam-se incômodos, podendo inclusive  prejudicar a audição [4,9].

Fig. 3. Curvas NCA.

III. RUÍDO AUDÍVEL EM LINHAS DE TRANSMISSÃO O ruído audível (RA), gerado pelo efeito corona em linhas de transmissão, pode ser caracterizado por duas componentes   principais. A primeira componente é caracterizada por uma  banda larga de alta freqüência que se distingue do ruído fundo. A relação randômica, entre as fases das ondas de pressão, gerada por cada fonte de corona (distribuídas pela linha de transmissão), e a alta freqüência que compõem o fenômeno, resulta no som agudo intermitente e pipocante característico do fenômeno. Esta componente de banda larga se estende de 300 Hz a freqüências sônicas. A segunda componente são tons puros de baixa freqüência, superpostos ao ruído de banda larga. As descargas de corona  produzem íons positivos e negativos, que sob a influência do campo elétrico alternado ao redor do condutor, são alternadamente atraídos e repelidos das proximidades do mesmo. Este movimento estabelece uma onda de pressão sonora cuja freqüência é o dobro da freqüência da tensão. Harmônicas de freqüência superior (240 Hz) também podem estar presentes, mas normalmente são de amplitude muito  baixa, como mostra a figura (4) [11]. A atenuação do espectro a partir de 8 kHz deve-se a resposta em freqüência dos equipamentos de medição.

Fig. 4. Espectro de RA.

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Fig. 5. Variação de RA, antes, durante e após período chuvoso.

De maneira geral, o ruído audível é influenciado pela tensão de operação da linha, muito significante para sistemas acima de 500 kV, pelo diâmetro dos condutores, configuração do feixe de condutores, condição superficial dos condutores (impurezas, danos), intensidade do vento e condições atmosféricas. Gotas d’água acumuladas na geratriz inferior dos condutores fazem com que a intensidade das componentes de   banda larga (300 Hz a 8 kHz), aumentem mais do que as componentes de 120 Hz e múltiplos. Sob chuva pesada, o ruído que estas provocam é normalmente maior do que o ruído gerado pelas linhas, não apresentando problemas mais sérios. As piores condições ocorrem com chuvas fracas, neblina e água acumulada nos condutores. Em neblina a transmissão do som é facilitada, aumentando o grau de perturbação. Em tempo bom o nível do ruído audível pode ser de 5 a 20 dB menor do que com condutores molhados, ou sob neblina, dependendo do gradiente de potencial e do grau de irregularidade na superfície dos condutores [11]. A figura (5) apresenta um exemplo da variação da intensidade do ruído audível gerado por uma linha de transmissão de 500 kV, antes, durante e após um período chuvoso. A medida que o condutor sofre envelhecimento, suas condições superficiais são alteradas e com isso ocorre variação na intensidade do ruído audível gerado. Estudos realizados mostram que o nível de ruído audível gerado tende a cair  depois de alguns meses de utilização do condutor, podendo haver variações da ordem de 15% na sua intensidade, devido a oleosidade impregnada no condutor quando ele está novo (com o passar do tempo a oleosidade vai sendo retirada sob o efeito das condições climáticas). Decorridos os primeiros meses de utilização, os condutores atingem condições superfi-

ciais estáveis não apresentando então maiores variações no nível de pressão sonora gerado. A variação da altura relativa do condutor ao solo leva a uma pequena variação no gradiente máximo sobre a superfície do mesmo, gerando uma pequena variação no ruído audível. No entanto, este efeito torna-se desprezível na medida em que o ponto de análise se distancia da linha. A 15 metros da fase central de uma linha de transmissão, o efeito da altura será desprezível [11]. Os níveis de pressão sonora, decorrentes das descargas de corona na superfície do condutor, não são constantes no tempo. Devido a esta particularidade, as medições de RA são obtidas através dos níveis excedidos, L 5 e L50, com ponderação A, definidas como medições de longa duração. Medições de curta duração, podem ser utilizadas para avaliar o nível de ruído gerado pela linha, desde que obtidos criteriosamente, registrando as condições ambientais. IV. RESULTADOS   A. Linha monofásica

Uma montagem experimental foi realizada no Laboratório de Extra Alta Tensão da UFMG, utilizando um condutor  LINNET, com 15 metros de comprimento, disposto a 8 metros do solo. Com uma fonte de alta tensão variável, foi aplicada uma tensão alternada crescente à linha. A tabela I, apresenta os valores da tensão de rádiointerferência (TRI) e LeqA, obtidos simultaneamente, em função do gradiente de potencial na superfície do condutor. Este gradiente foi obtido a partir da tensão aplicada e das condições ambientais, considerando o fator de superfície do condutor ideal (m=1) [10]. As medições foram obtidas a uma distância horizontal da linha de 4 metros, a 1,5 metros de altura (o LeqA foi obtido com tempo de integração de 10 segundos). A umidade relativa do ar no momento da medição variou entre 63% e 65% e temperatura ambiente de 27º C. A análise do ruído audível em função do gradiente de   potencial na superfície do condutor, figura (6), mostra que o LeqA é pouco sensível com relação ao aumento do gradiente de potencial. Para as baixas freqüências é difícil identificar a  presença do efeito corona com o aumento do gradiente. Em 8 kHz é possível identificar o início do efeito corona, a partir do gradiente de 16,4 kV/cm, compatível com os valores obtidos através da TRI. O gradiente de potencial crítico, calculado a  partir de expressões empíricas, é de 17 kV/cm.

TABELA I R UÍDO AUDÍVEL COM MEDIÇÃO SIMULTÂNEA DE RIV (RÁDIO INTERFERÊNCIA)

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Fig. 6. Ruído audível no condutor LINNET.

Fig. 8. Esquema do perfil lateral.

A análise dos espectros sonoros medidos, através das curvas   NCA, permite a identificação das faixas de freqüência que ultrapassam os limites relacionados com a percepção humana. A figura (7) apresenta o espectro de freqüência das medições obtidas para os gradientes de 0, 16,4 e 22.8 kV/cm, junto com as curvas NCA-25, NCA-40 e NCA-45. O ruído de fundo do laboratório, representado pelo gradiente de 0 kV/cm, com valor de nível de pressão sonora equivalente de 37 dBA, caracteriza um ambiente acústico muito confortável. Os valores de NPS na freqüência tocam a curva   NCA-25. Com o inicio do efeito corona, representado pelo gradiente de 16,4 kV/cm, a componente de 125 Hz toca a curva NCA-40, o que caracteriza um ambiente cujo conforto acústico é aceitável. Nota-se que os valores de LeqA não ultrapassam o valor de 46 dBA. Sob condições adversas, (chuva fraca, por exemplo) o gradiente na superfície do condutor sobe para 22,8 kV/cm, e a componente de 8 kHz toca a curva NCA-45. O valor de LeqA é de 47 dBA, o que o caracteriza um ambiente de desconforto acústico, sem necessariamente implicar riscos de danos a saúde.

Fig. 7. Espectro de freqüência do ruído audível e curvas NCA.

 B. Linha de Transmissão Real 

O comportamento do ruído audível em uma linha de transmissão em operação da CEMIG (Companhia Energética de Minas Gerais), foi obtido a partir do perfil lateral da linha (iniciando na fase central), juntamente com suas variações nas freqüências de oitava, como mostra a tabela II. A distância lateral foi variada de 10 em 10 metros com o medidor a uma altura de 1,5 metros em relação ao solo (figura (8)). Como esperado, o LeqA reduz seu valor com o aumento da distância.  Nas baixas freqüências, a componente de 125 Hz tem seu pico máximo antes de 20 metros, devido a influência da fase mais externa. Na alta freqüência, após a faixa de passagem, obtemse um valor oscilando em torno do ruído de fundo.   Na faixa de passagem, o ruído audível apresenta um valor  máximo de 34 dBA, sendo menor que o valor previsto pela resolução ANEEL [12], que recomenda um valor de ruído audível no limite da faixa de segurança de no máximo 58 dBA. Após a faixa de passagem o valor de LeqA oscilou entre 34 e 32 dBA, como pode ser observado na figura (9), caracterizando-o como um ambiente confortável segundo o critério NCA.

Fig. 9. Perfil lateral da linha. TABELA II PERFIL LATERAL (RA)

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VI. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao suporte financeiro fornecido pela CEMIG (Companhia Energética de Minas Gerais). VII. R EFERÊNCIAS

Fig. 10. Analise de freqüência do perfil lateral.

A legislação brasileira [8] recomenda um valor conservativo (40 dBA diurno e 35 dBA noturno) para campos abertos e áreas rurais, acima dos valores obtidos para a linha de 525kV. O perfil lateral para análise de freqüências foi obtido a partir  do centro da fase, como mostra a figura (10). Os maiores valores, a partir de 20m do centro da linha, foram obtidos a 16 Hz. A componente de 125 Hz tem seu pico máximo a 10 metros da fase central, devido a influência da pressão sonora na fase mais externa. O nível de ruído audível a 8 kHz diminui com a distância, atingindo valores abaixo de 25 dB a partir de 70m. V. CONCLUSÕES Quando o ruído ambiente é da mesma ordem de grandeza ou maior que o ruído da linha de transmissão, as medições do LeqA não podem ser completamente atribuídas ao efeito corona. Nestes casos, o espectro de freqüência de 8 kHz (1/1 ou 1/3 de oitava) caracteriza melhor os níveis de ruído de corona da linha. As medições de ruído audível no condutor LINNET mostraram que medições próximas à subestação apresentam ruído de baixa freqüência elevado, interferindo nos valores de LeqA. Analises relacionadas com fontes de corona devem ser  efetuadas com freqüência acima de 2kHz. Gradientes na superfície dos condutores elevados levam a valores críticos do ruído audível, facilmente percebidos na freqüência de 8kHz.   Na linha transmissão real, a componente de 125 Hz tem seu  pico máximo a 10 metros da fase central, devido à influência da pressão sonora gerada pelo corona na fase mais externa. À medida que se afasta da linha, o nível de ruído audível cai com a distância, atingindo um valor estável (considerado como ruído ambiente) a partir de 70m. Na faixa de passagem, os níveis de LeqA estão abaixo dos valores permitidos por  norma, e considerado acusticamente confortável pelo critério  NCA. As medições de ruído audível na linha real foram realizadas em curto período de tempo, tendo sido analisado com relação aos valores considerados como tempo bom. Em condições desfavoráveis espera-se que os valores de LeqA tenham um aumento em torno de 5 a 20 dBA, o que deve ser analisado através de medições de longa duração, devido a alteração substancial nos valores de ruído obtidos.

[1] Companhia Energética de Minas Gerais – CEMIG, Relatório Técnico de medição de ruído audível e radiointerferências nas linhas de Vespasiano. [2] R. D. FUCHS, Transmissão de Energia Elétrica: Linhas Aéreas; Teoria das Linhas em Regime Permanente. Volume 2, 1977, pág.498, capítulo 10, edição, Escola de Engenharia de Itajubá. [3] R.C.P.JUNIOR, Compactação de Linhas de Transmissão de 138 kV/230 kV, para Instalação em Área Urbana, Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica 1992. [4]  N. Y. SAMIR, “Ruído e Vibrações Veiculares”. 1ª edição, pág.109-126255, Florianópolis: 2005. [5] D. S. RODRIGUES, Modelo Matemático de Previsão de Ruído Devido ao Tráfego Veicular no Distrito Federal, Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, 2005. [6] M.P. Nagem, Mapeamento e análise do ruído ambiental: diretrizes e metodologia, Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual de Campinas, Faculdade Engenharia.Civil,2004. [7] E.B.MEDEIROS, Introdução a teoria acústica, Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais, 2005. [8] IABNT. NBR 10.151:2000 Acústica – Avaliação do ruído em áreas habitadas, visando o conforto da comunidade – Procedimento. [9] ABNT. NBR 10.152: 2000 – Níveis de ruído para conforto acústico. [10]  IEEE Standard for the Measurement of Audible Noise From Overhead  Transmission Lines. IEEE Standard 656-1992. 17 September. 1992. [11] Transmission Line Reference Book - 345kV and above . Electric Power  Research Institute, Second edition 1982. [12]  Resolução ANEEL nº  resolução nº 006/2008, anexo 6C.

VIII. BIOGRAFIAS Emerson Dias de Freitas Aluno do curso de pós-graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Graduou-se em Engenharia Elétrica pela Unileste-Mg em 2006. Em 2007 entrou no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFMG. Suas principais áreas de interesse são, engenharia de alta tensão, compatibilidade eletromagnética e qualidade de energia. Glássio Costa de Miranda nasceu em Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, em 20 de Janeiro de 1964. Foi graduado na Universidade Federal de Minas Gerais em Engenharia Elétrica em 1987. Em 1990 foi pós-graduado na Universidade Federal de Minas Gerais como Mestre em Engenharia Elétrica. Em 1994 foi pós-graduado na Universidade Estadual de Campinas como Doutor em Engenharia Elétrica. Atualmente é Professor Associado na Escola de Engenharia, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais. Trabalha nas áreas de alta tensão, transitórios eletromagnéticos, compatibilidade eletromagnética e qualidade da energia. Alisson Ladeira Senna Filho Aluno do curso de pós-graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Graduou-se em Engenharia Elétrica pela UFMG em 2008. Em 2009 entrou no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFMG. Edino Barbosa Giudice Filho Aluno do curso de pós-graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Graduou-se em Engenharia Elétrica pela PUC-MG em 1993. É mestre pela UFMG desde 2005. Em 2010 entrou no curso Doutorado da UFMG. Atualmente é Engenheiro de projetos de sistemas elétricos (Cemig). Suas  principais áreas de interesse são, engenharia de alta tensão e compatibilidade eletromagnética, nas quais desenvolve pesquisa atualmente.