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1 Resumo—O aumento da demanda de energia elétrica em todo o mundo traz a necessidade de ampliação dos sistemas de transmissão de energia elétrica, seja pela construção de novas linhas de transmissão (LT) ou pela repotenciação destas. Conhecida a dificuldade econômica e ambiental para construção de novas LTs, várias técnicas de repotenciação são sugeridas para o aumento de sua capacidade de transferência de potência. Neste contexto, este trabalho propõe uma metodologia focada em índices de desempenho, que auxiliam na identificação da técnica mais eficiente para repotenciação de LTs. A metodologia analisa os níveis de carregamento da LT, limitados pelo rendimento, regulação e estabilidade de tensão da LT. Palavras-chave—Linhas de transmissão de energia elétrica, repotenciação, regulação de tensão, estabilidade de tensão, rendimento. I. INTRODUÇÃO busca pelo aumento de potência a ser transmitida pelas linhas de transmissão, motivada pela crescente carga em todo o sistema elétrico, condiciona a repotenciação das linhas de transmissão já existentes em um método viável considerando fatores técnicos, econômicos e ambientais. Algumas técnicas de repotenciação de LTs podem ser citadas [1], tais como o aumento da tensão operativa, o lançamento de mais condutores em um feixe, a substituição dos condutores originais por outros termorresistentes, entre outras. No entanto, não se recomenda eleger qualquer uma das técnicas para um determinado caso antes de uma análise técnica e econômica das possíveis alternativas. A identificação da técnica de repotenciação mais vantajosa possibilita a determinação do melhor carregamento para a LT, tanto para valores quantitativos quanto para adequação aos limites operativos, estabelecendo assim economia e um melhor desempenho na transmissão da energia elétrica. A análise do carregamento máximo e limites operativos de uma LT, quando submetida à repotenciação, é de grande importância para a conquista de resultados e valores de potência transmitida pretendidos. V. F. Almeida e J. C. M. Vieira são integrantes do Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. Av. Trabalhador São-carlense 400, São Carlos, SP, Brasil (e- mails: venicio@usp.br; jose.vieira@ieee.org). E. M. Silva Júnior é engenheiro eletricista da empresa Silva e Morais Construções Elétricas Ltda. Rua Rio Branco 80, Guaxupé, MG, Brasil (e-mail: elvio_jr@hotmail.com) Ressalta-se que em [2] foram avaliadas técnicas de repotenciação por meio de uma metodologia que utiliza fatores como: rendimento, regulação de tensão, capacidade de transferência de potência, limite de estabilidade em regime permanente (por meio de curvas PV), isolamento à máxima tensão operativa, perdas por efeito Joule e por efeito corona, corona visual, influência do campo elétrico e magnético na vizinhança da linha de transmissão, rádio interferência e condições mecânicas. Por meio desses fatores, os autores puderam identificar com sucesso a técnica mais vantajosa para a execução da repotenciação. No entanto, não se pôde definir um índice numérico que representasse as principais influências de cada um desses fatores. Visando estabelecer uma relação com a metodologia apresentada em [2], e/ou contribuindo com uma nova metodologia para análise de desempenho de uma LT sob repotenciação, este artigo propõe a adoção de índices numéricos de desempenho de linhas de transmissão, que também facilitarão a identificação da melhor técnica de repotenciação. Os índices incorporam informações sobre as variações no carregamento da LT e fatores limitantes de rendimento, regulação e estabilidade de tensão. II. METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO A metodologia proposta é apresentada conforme o fluxograma da Fig. 1. Ela pode ser aplicada em qualquer LT, porém conforme [3], na escolha da LT algumas avaliações são cabíveis para verificar se existe viabilidade técnica para a repotenciação. Alguns fatores a analisar são: Limite da capacidade de transmissão de energia elétrica: inicialmente, deve-se avaliar se a capacidade de transmissão da LT está próxima do seu limite de projeto ou se esta será atingida em um curto espaço de tempo, dada a previsão do crescimento da demanda; Condição física da LT: em um processo de repotenciação deve-se procurar aproveitar, sempre que possível, o material já instalado na LT, visando a redução de custos. Por exemplo, o bom estado de conservação dos condutores implica em reaproveitamento dos mesmos, a depender da técnica de repotenciação escolhida. No entanto, uma característica destacada em [3] defende que linhas de transmissão com necessidades de melhorias em suas condições físicas podem ser consideradas prioritárias em um processo de repotenciação. A justificativa dessa afirmação é que a reforma da LT para adequar suas condições físicas pode ser realizada durante o processo de repotenciação. Índices de Desempenho para Análise de Técnicas de Repotenciação de Linhas de Transmissão de Energia Elétrica V. F. Almeida, E. M. Silva Júnior e J. C. M. Vieira, Member, IEEE A 2 Derivações da LT: a repotenciação de linhas curtas e com o mínimo de derivações é um processo mais rápido e mais barato; Trajeto da LT: as condições de altitude, relevo, clima, vegetação podem inviabilizar o processo de repotenciação. Escolha da LT Escolha das Técnicas de Repotenciação Aplicáveis Simulações Computacionais Cálculo dos Indices de Desempenho Formação do Banco de Dados da LT Identificação da Melhor Técnica FIM Atualização do Banco de Dados Fig. 1. Fluxograma aplicado na metodologia para repotenciação da LT. A composição de um completo banco de dados é de suma importância no processo de cálculo dos índices de desempenho, pois a falta ou imprecisão de informações sobre a LT pode implicar em conclusões errôneas decorrentes das análises efetuadas. Portanto, segue uma lista das informações necessárias para composição desse banco de dados: Comprimento da LT e número de torres; Características dos condutores e cabos pára-raios: bitola, resistência em corrente contínua, diâmetro, seção total, peso, tipo; Características dos circuitos: número de condutores por fase, configuração do feixe de subcondutores (quando for o caso) e flecha; Características geométricas da torre: distâncias horizontais e verticais entre cabos condutores e cabos pára-raios, e entre esses cabos e o solo; Resistividade do solo; Cadeia de isoladores: número de isoladores, tipos e classe de tensão; Valores de projeto: corrente, temperatura, velocidade do vento, temperatura ambiente, pressão atmosférica, altitude; Valores em emergência: corrente, temperatura; Equivalentes de curto-circuito nas subestações nas quais a linha está conectada: potência e corrente de curto-circuito monofásica e trifásica. Após formação do banco de dados, são escolhidas as técnicas de repotenciação aplicáveis. Algumas técnicas podem ser descartadas previamente, pois existem características presentes nas LTs que podem não ser coerentes com algumas delas. Devem ser observados fatores como dimensões das estruturas, níveis de tensão nos terminais da LT, suportabilidade a esforços mecânicos, aspectos ambientais dentre outros que inviabilizam o projeto economicamente ou acarretam mudanças inadequadas, pois em uma repotenciação busca-se a máxima preservação das condições originais da LT. Com as técnicas já pré-definidas efetuam-se as simulações computacionais para determinar os índices. No presente trabalho foi utilizado o software DIgSILENT PowerFactory, [4]. São efetuadas simulações de fluxo de carga para todas as técnicas de repotenciação inicialmente previstas, e assim registradasamostras de tensão, corrente e potência nas extremidades da LT, que serão requisitos para cálculo dos índices de desempenho propostos na metodologia. O cálculo dos índices de desempenho é a etapa em que são utilizadas as amostras colhidas nas simulações, que inseridas nas devidas equações, permitem quantificar as variações de carregamento da LT, submetidas aos limites operativos de rendimento, regulação de tensão e estabilidade de tensão. A identificação da melhor técnica para a repotenciação da LT consiste em fazer a classificação dos índices de desempenho, considerando a técnica mais eficiente como aquela que apresentar valores elevados para os índices. Considera-se ainda a adequação aos limites operativos e o atendimento às normas de transmissão de energia elétrica [5]- [7]. A metodologia segue então com a atualização do banco de dados considerando as modificações efetuadas na LT devidas à técnica de repotenciação selecionada, finalizando assim a aplicação do método. III. RESULTADOS DA APLICAÇÃO DA METODOLOGIA A metodologia proposta neste trabalho será aplicada na mesma LT proposta em [2]. Esta LT é real, pertencendo ao sistema de transmissão da empresa Eletrobrás Furnas. Opera com tensão de 345 kV, e transmite uma potência máxima de 330 MW, possui 131 km de extensão, com circuito simples, feixe de 2 condutores por fase (condutores tipo Drake 795) . A Fig. 2 ilustra a geometria da torre utilizada na LT . 3 Fig. 2 . Torre tipo A51 Para a repotenciação serão considerados quatro casos: à configuração original será atribuído o nome de Caso 1, conforme a Fig. 3. Considera-se para todos os casos uma distância de 30 metros entre condutores e solo, uma faixa de servidão de 60 metros, torres tipo A51, e cadeia de suspensão simples (configurações originais da LT). Os cabos pára-raios são de bitola 3/8 de polegadas EHS – tipo ACO-07, (estes cabos pára-raios serão mantidos na repotenciação). Caso 1: Dois condutores por fase, tipo Drake 795, tensão base igual a 345 kV, conforme a Fig. 3. Fig. 3. Configuração dos cabos na estrutura da LT, Caso 1. As técnicas de repotenciação analisadas são as seguintes: Caso 2: Três condutores por fase, tipo Drake 795, tensão base igual a 345 kV, conforme a Fig. 4. Fig. 4. Configuração dos cabos na estrutura da LT, Caso 2. Caso 3: Três condutores por fase, tipo Rail 954, tensão base igual a 345 kV, conforme Fig. 5. Fig. 5. Configuração dos cabos na estrutura da LT, Caso 3. Caso 4: Alteração da tensão operativa para 500 kV, mantendo-se a configuração original (tensão base = 500 kV), conforme Fig. 6. Fig. 6. Configuração dos cabos na estrutura da LT, Caso 4. A seguir serão apresentadas as definições e os valores encontrados de estabilidade de tensão (curva PV), do rendimento, da regulação de tensão e dos índices de desempenho. Os resultados são expostos com utilização de figuras e tabelas referindo-se a todos os casos simultaneamente para conseguir um melhor efeito comparativo. A escolha da melhor técnica de repotenciação será finalmente determinada por uma síntese de todos os índices de desempenho. A. Estabilidade de Tensão (Curva PV) A curva PV mostra as relações dos valores de tensão eficaz fase-neutro na carga e a potência entregue ao terminal receptor ou terminal de carga. A Fig. 7 mostra a comparação dos casos propostos no artigo, para o fator “estabilidade de tensão” [8], que servirá como exemplo para a determinação dos índices de desempenho em análise. Os valores do eixo vertical estão representados em “p.u.” da tensão base de cada caso, e os do eixo horizontal representam os valores de carregamento da LT. Observa-se que para uma tensão na carga de 0,95 pu, que é um valor limitante estabelecido por [7], o "caso 4" apresentou maior carregamento da LT, com 600 MW. Fig. 7. Curvas PV para diferentes casos analisados. Fase A Fase B Fase C 10.6 m 10.6 m 0.45 m 28.12 mm Fase C 10.6 m 28.12 mm Fase B 10.6 m Fase A 0.45 m Fase A Fase B Fase C 10.6 m 10.6 m 29.59 mm 0.45 m Fase A Fase B Fase C 10.6 m 10.6 m 0.45 m 28.12 mm 4 B. Rendimento O valor de rendimento de uma LT buscado pelas empresas transmissoras de energia é de no mínimo 95%, com isso limitam-se as perdas de transmissão na ordem de 5%. O cálculo do rendimento é apresentado em (1), conforme [9]. 1 2 1 ( ) 1 100 P P R P (1) R = rendimento da LT [%] P1 = potência no terminal transmissor [W] P2 = potência no terminal receptor [W] Fig. 8. Rendimento da LT para diferentes casos analisados. A Fig. 8 mostra que pela análise do rendimento, todos os casos de repotenciação permitiram um aumento da potência transmitida na LT. Considerando o rendimento em 95%, o Caso 1 transmitiu em torno de 700 MW, ao passo que o caso 4 pode transmitir até 1580 MW. Os valores de potência transmitida aqui destacados foram encontrados pela análise individual do fator rendimento, e não devem ser confundidos com os valores viáveis de transmissão, que só serão determinados após uma análise conjunta de vários fatores de desempenho. Este procedimento faz-se necessário para que não ocorra um colapso de tensão ou superação de outros limites operativos da LT, conforme analisados em [2]. C. Regulação de Tensão Outro fator que contribuirá para o cálculo dos índices de desempenho é a regulação de tensão da LT, que pode ser definida como a variação da tensão entre os terminais do transmissor e receptor para um dado nível de carga, tomada como porcentagem da tensão no receptor (ou nos terminais da carga), segundo [9]. O valor da regulação pode ser positivo ou negativo, dependendo assim do valor da carga a ser transmitida, principalmente da potência reativa, como também dos parâmetros elétricos da LT. Os limites considerados para regulação da LT neste artigo seguem conforme valores utilizados pela Eletrobrás-Furnas , proprietária da LT, onde a tensão nominal no terminal receptor deve estar entre 0,90 e 1,1 pu do terminal transmissor, ou uma variação máxima de ±10% para ser considerada como adequada. A equação apresentada em (2) é a utilizada para cálculo da regulação da LT. 1 2 2 Reg 100 V V V (2) Reg Regulação da LT [%] 1V Tensão eficaz no terminal transmissor [kV] 2V Tensão eficaz no terminal receptor [kV] A Fig. 9 ilustra as curvas apresentadas para a regulação da LT, considerando todos casos propostos. Observa-se que considerando a regulação em 10%, o caso 1 teve pior resultado com transmissão de 430 MW, e o caso 4 o melhor resultado com transmissão de 900 MW. Os Casos 2 e 3 obtiveram valores parecidos de 500 MW . Fig. 9. Regulação da LT para diferentes casos analisados. A seguir, mostra-se como as informações contidas nas curvas PV (Fig. 7), curvas de rendimento (Fig. 8) e de regulação (Fig. 9) são utilizadas para calcular os índices propostos neste trabalho. D. Índice de Máximo Carregamento Este índice é comumente empregado para avaliar o máximo carregamento de sistemas elétricos e indica o montante máximo de potência ativa a ser transmitido sem que haja colapso de tensão. Neste trabalho, esse índice pode ser calculado pela expressão (3). 3 MAX N MAXC N N P P i V I (3) PMAX = Potência ativa máxima obtida com o auxilio da curva PV [W] PN = Potência ativa transmitida pela linha em condições normais de operação [W] VN = Tensão nominal de linha, eficaz [V] IN = Corrente referente à operação normal da linha, a 50º C, [A]. O valor de IN é igual a 1218 A para todos os casos em estudo, e será também o valor utilizado no cálculo dos demaisíndices de desempenho. O valor de PN é definido como potência de referência, para conseguir um efeito comparativo entre os casos propostos, sendo fixado conforme a seguir: 5 3 3 345000 1218 727,83N N NP V I MVA A Fig. 10 ilustra o cálculo do iMAXC com auxílio da curva PV. Fig. 10 . Ilustração do cálculo do iMAXC E. Índice de Máximo Carregamento restrito por Tensão Semelhante ao índice definido anteriormente, este utiliza a também a curva PV e indica o máximo carregamento que a linha de transmissão suporta sem violar o limite inferior de tensão aceitável, segundo recomendações da Resolução ANEEL número 505, [7]. Este valor é igual a 0,95 pu. A expressão (4) define o cálculo desse índice: _ 3 MAXV N MAXC V N N P P i V I (4) sendo PMAXV o valor de potência ativa tomado quando a tensão for igual a 0,95 pu. Esta grandeza está demonstrada na Fig. 11. Fig. 11. Ilustração do cálculo do iMAXC_V. F. Índice de Máximo Rendimento restrito por Tensão Este índice possui caráter mais qualitativo em relação aos apresentados anteriormente e indica qual o rendimento máximo da LT quando a mesma transportar potência ativa igual a PMAX_V, definida anteriormente. É obtido diretamente da curva que relaciona o rendimento com a variação da potência ativa transmitida, Fig. 8. Para efeito de comparação com outras técnicas de repotenciação, seu valor pode ser calculado usando a expressão (5). _ _ 100 3 MAX V MAXV MAX V N N P i V I (5) sendo MAX_V o rendimento (em %) correspondente à potência PMAXV. As demais grandezas de (5) foram definidas anteriormente. Quanto maior o valor, melhor o desempenho da LT. G. Índice de Máxima Regulação restrita por Tensão De maneira semelhante ao índice _MAX Vi , esse índice visa comparar diferentes técnicas de repotenciação em relação aos seus impactos na regulação de tensão da LT, considerando o valor de PMAXV. Neste caso, a expressão (6) é capaz de representar o índice _MAXR Vi adequadamente. _ _ 100 3 MAXV MAXR V MAX V N N P i R V I (6) sendo _MAX VR o valor de regulação de tensão, vide Fig. 9, correspondente a PMAXV. Quanto maior o valor de _MAXR Vi , melhor é o desempenho da LT. IV. SÍNTESE PARA ESCOLHA DA MELHOR TÉCNICA DE REPOTENCIAÇÃO DA LT A Tabela I informa os valores encontrados dos índices de desempenho para todos os casos analisados. TABELA I ÍNDICES DE DESEMPENHO Casos MAXCi _MAXC Vi _MAX Vi _MAXR Vi Caso 1 0,03 -0,64 0,36 7,63 Caso 2 0,17 -0,54 0,45 9,82 Caso 3 0,17 -0,54 0,43 9,30 Caso 4 1,13 -0,23 0,76 16,11 Após a realização de todas as simulações e cálculos envolvidos na metodologia é possível então verificar através dos índices encontrados, que o "Caso 4" (configuração com 2 condutores Drake e tensão operativa de 500 kV) foi o mais vantajoso. A Tabela I ilustra que para o Caso 4, maiores valores em todos os índices de desempenho propostos foram obtidos. Os valores negativos referentes ao iMAXC_V ocorrem porque a potência referente ao valor de 1218 A (PN ) é maior do que os valores máximos de potência ativa que resultam na tensão no receptor igual a 0,95 pu. Esses valores negativos também indicam que se é desejado operar com potência igual à PN, 727,83 MVA, torna-se necessário usar dispositivos compensadores de potência reativa, caso contrário a tensão em regime permanente será inferior a 0,95 pu. T en sã o Potência Ativa P N P MAX P MAX - P N 0 1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 1 1,05 T e n s ã o ( p u ) Potência Ativa P N P MAXV - P N P MAXV 6 Para a tensão no receptor em 0,95 pu, o valor de potência transmitida na LT no Caso 4 é de 600 MW, ou seja, a LT teve um ganho de 270 MW em comparação com sua condição original (Caso 1). Para os casos 2 e 3, os índices possuem valores aproximados, o que também é verificado no carregamento da LT, que transmite em torno de 380 MW, tendo um ganho de aproximadamente 50 MW. Conforme os resultados apresentados em [2], a metodologia apresentada neste artigo foi eficiente, pois identificou a mesma técnica de repotenciação (caso 4), como a melhor do ponto de vista técnico. O tópico final da metodologia baseada nos índices de desempenho é a atualização do banco de dados para os novos carregamentos e configurações. Após aplicação da metodologia, vale lembrar que o completo processo de repotenciação de uma LT consiste ainda na verificação de outros fatores limitantes de transmissão, em termos de isolação, proteção e efeitos eletromagnéticos, que podem ser orientados em [2]. Esta observação pode ser comprovada através do caso 4 deste artigo, que conforme análises efetuadas em [2], verificou-se a necessidade de aumento do comprimento da cadeia de isoladores para adequação aos níveis de isolamento da LT. Também no caso 4 notou-se que seria necessário o lançamento de mais um cabo condutor por fase, para que os níveis de efeito corona não fossem superados, ao passo que as distâncias de segurança entre os condutores, condutores/solo, condutores/torre mantiveram-se constantes. O presente artigo auxilia no complemento e/ou comparação com resultados atingidos em [2]. V. CONCLUSÕES Este artigo propôs uma metodologia para avaliar o desempenho de técnicas de repotenciação de LTs, analisando o comportamento de regime permanente de uma linha de transmissão por meio de índices de desempenho. A metodologia mostrou-se eficiente para identificação da técnica mais vantajosa, garantindo carregamentos dentro dos limites operativos de estabilidade de tensão, regulação de tensão e rendimento, conforme normas regulamentadoras [5]-[7]. A metodologia apresentada pode ser também utilizada em análises de LTs em operação, no intuito de verificar os níveis e faixas de carregamento que estas conseguem operar eficientemente, desde que seja composto um banco de dados completo da LT. A utilização dos índices de desempenho mostrou-se uma alternativa rápida e eficaz no processo de escolha da técnica à repotenciar uma LT, identificando ainda em que condições de carregamento são necessários compensadores de potência reativa na LT. Assim, pode-se salientar que a combinação dos fatores de desempenho apresentados em [2] e dos índices de desempenho apresentados neste artigo contribuem significativamente em diversas vertentes dos estudos de desempenho de linhas de transmissão. VI. REFERÊNCIAS [1] C. M. F. Oliveira, “Recapacitação de linhas de transmissão,” Dissertação de Mestrado, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, 2000. [2] V. F. Almeida, J. C. M. Vieira, “ Metodologia para avaliar o impacto de técnicas de repotenciação no desempenho de linhas de transmissão e energia elétrica”. in IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition Latin América, São Paulo, 2010, 10 p. [3] E. Biasotto, “Um procedimento de análise para a repotenciação de linhas de subtransmissão de 34,5 kV para 69 kV,” Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Elétrica, EESC, USP, 2009. [4] DIgSILENT GmbH, http://www.digsilent.de. [5] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5422: Projeto de linhas aéreas de transmissão: procedimentos. Fevereiro de 1985. [6] Procedimentos de Rede, (ONS). “Requisitos mínimos para linhas de transmissão aéreas”. ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico, Submódulo 2.4. Disponível em: http://www.ons.org.br/download/procedimentos/modulos/Modulo_2/Sub modulo%202.4_Rev_1.0.pdf>. Acesso em: 27 out. 2011. [7] ANEEL, “Conformidade dos níveis de tensão de energia elétrica em regime permanente”. Resolução da ANEEL nº505, de 26 de novembro de 2001. [8] C. B. Camargo, “Transmissão de EnergiaElétrica: Aspectos Fundamentais”, Editora da UFSC/Eletrobrás, Florianópolis, 1984. [9] R. D. Fuchs, “Transmissão de Energia Elétrica: Linhas Aéreas.”, teoria das linhas em regime permanente. Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos; Itajubá, Escola Federal de Engenharia, Vol. 2, 1979. VII. BIOGRAFIAS Venício Ferreira de Almeida nasceu em Passos MG, em 4 de julho, 1980. Possui graduação em Engenharia Elétrica pelo Centro Universitário de Araraquara (2006) e Mestrando na Área de Sistemas Elétricos de Potência pela EESC-USP- Universidade de São Paulo, desenvolvendo pesquisas de repotenciação de linhas de transmissão. Atua no setor de operação de usinas hidroelétricas e subestações de energia elétrica. Elvio Meireles da Silva Junior nasceu em Guaxupé MG, em 23 de agosto, 1979. Possui graduação em Engenharia Elétrica pelo Centro Universitário de Araraquara (2006). Atua como engenheiro eletricista na empresa - Silva e Morais Construções Elétricas Ltda. Possui experiência em expansão do sistema elétrico de potência de distribuição (rural e urbano), novas subestações de 13,8 kV, proteção de subestações industriais, SPDA. J. C. M. Vieira (S’98-M’07) obteve os títulos de Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Campinas, Brasil, em 1999 e 2006, respectivamente. De 1999 a 2003 trabalhou como Engenheiro de Projetos na empresa FIGENER S.A. Engenheiros Associados, em São Paulo, Brasil. De 2006 a 2007 foi pós- doutorando na Universidade Estadual de Campinas. Atualmente é professor assistente no Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos da USP, São Carlos, Brasil. Seus interesses em pesquisa são geração distribuída e sistemas de distribuição de energia elétrica. http://www.digsilent.de/
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