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0 Curso de Engenharia Elétrica Transmissão de Energia Elétrica Elementos Básicos Prof. Luiz Bizerra de Aguiar Agosto 2013 Revisões: Fevereiro 2014, Fevereiro 2015 1 APRESENTAÇÃO As linhas de transmissão permitem o transporte da energia gerada nas usinas geradoras de energia elétrica até os centros de consumo. Das usinas, onde a energia é também transformada, através dos transformadores elevadores, partem as linhas de transmissão em tensões elevadas, indo até as áreas onde ocorre nova transformação, através dos transformadores abaixadores. Passa, então, a ser retransmitida ou distribuída até os centros e unidades de utilização. Este texto apresenta os elementos básicos sobre a transmissão de energia elétrica. envolvendo as linhas de transmissão e seu papel nos sistemas elétricos de potência. Trata-se de um texto orientativo para os alunos da disciplina Transmissão de Energia Elétrica, em carater introdutório, que deve ser complementado com resoluções de exercícios, discussões em sala de aula e consultas às referências. Contem, portanto, elementos básicos sobre transmissão, aprofundando e aplicando conceitos vistos nas disciplinas de Análise de Circuitos, Eletromagnetismo e Introdução ao Sistema de Potência, e dá suporte a outras disciplinas como Análise de Sistemas de Potência. Esses elementos servem como preparação para estudos mais avançados em transmissão de energia, voltados particularmente para o estudo das linhas de grandes extensões, para a compreensão do comportamento das linhas no desempenho do sistema em regime permanente, assim como para as questões de transitórios relativas às sobretensões e definição dos isolamentos. Alguns aspectos adicionais são também incluídos, relacionados aos aspectos mecânicos e aos efeitos dos campos elétricos e magnéticos. 2 INDICE 1. GENERALIDADES SOBRE TRANSMISSÃO DE ENERGIA................3 2. CONCEITOS BÁSICOS........................................................................11 3. CONDUTORES E PARÂMETROS BÁSICOS......................................23 4. INDUTÂNCIA DE LINHAS DE TRANSMISSÃO...................................32 5. CAPACITÂNCIA DE LINHAS DE TRANSMISSÃO..............................47 6. CÁLCULO DAS IMPEDÂNCIAS EM LINHAS TRIFÁSICAS...............57 7. EQUAÇÕES DAS LINHAS DE TRANSMISSÃO..................................65 8. COLAPSO DE TENSÃO E CAPACIDADE TRANSMISSÃO...............79 9. DIAGRAMAS CIRCULARES E HIPERBÓLICOS DE POTÊNCIAS...90 10. TRANSITÓRIOS EM LINHAS DE TRANSMISSÃO.............................98 11. ASPECTOS MECÂNICOS DE LINHAS DE TRANSMISSÃO............110 12. TÓPICOS COMPLEMENTARES........................................................117 REFERÊNCIAS...................................................................................126 ANEXOS..............................................................................................127 3 1. GENERALIDADES SOBRE TRANSMISSÃO DE ENERGIA Aspectos Gerais Transmissão de energia elétrica é o processo que consiste em transportar energia entre dois pontos, de onde ela é disponível para onde é utilizada. O transporte é realizado, em geral, através de linhas de transmissão em tensão ou corrrente alternada trifásica, com uma capacidade de transmissão adequada. A linha de transmissão é um meio usado para transmitir potência elétrica sob a forma de energia eletromagnética. Essa transmissão não é irradiada, mas sim guiada a partir de uma fonte geradora para uma carga consumidora, constituindo-se a linha num guia de onda de campos elétricos e tensões e de campos magnéticos e correntes. A transmissão de energia propriamente dita envolve potências elevadas ligando as usinas geradoras aos grandes centros, mas inclui também a distribuição, onde e energia é distribuída dentro de centros urbanos e utilizada pelos consumidores. As tensões das linhas de transmissão normalmente são acima de 230 kV. As linhas de distribuição são usualmente na faixa de 13,8 kV e 34,5 kV, sendo a faixa intermediária entre 69 e 138 kV a subtransmissão. A conversão entre níveis de tensão é feita através dos transformadores. Em sistemas de grande porte é usual a interligação entre sistemas, através das linhas de transmissão, formando uma rede. As interligações aumentam a confiabilidade do sistema, porém aumenta a sua complexidade. A interligação pode contribuir para a melhoria do suprimento de energia, mas também propaga falhas do sistema, pois um problema que ocorre em determinado ponto da rede pode afetar outras áreas, principalmente as mais próximas. Fisicamente as linhas de transmissão são constituídas de componentes, destacando os cabos ou condutores, as estruturas, os isoladores e alguns acessórios. Os cabos ou condutores são os componentes que permitem a transmissáo de energia. 4 As estruturas ou torres, em linhas aéreas, são necessárias para erguer os cabos a uma distância segura do solo, de forma a evitar contato elétrico com pessoas, vegetação e veículos que estejam próximos da linha. As torres devem suportar os cabos em condições extremas, determinadas basicamente pelo tipo de cabo e as condições meteorológicas adversas. São usualmente construídas em aço, com algumas alternativas em madeira e concreto para tensões mais baixas O projeto das torres deve ser otimizado para tornar a linha técnica e economicamente viável. Os isoladores permitem que as torres suportem os cabos mantendo-os isolados eletricamente da estrutura. Esses suportes devem garantir a rigidez dielétrica e suportar o peso dos cabos. Em geral são constituídos de cerâmica, vidro ou polímeros. Os acessórios são componentes adicionais que complementam a formação da estrutura de transmissão. As linhas de transmissão são conectadas às subestações, que dispõe de mecanismos de manobra e controle, de forma a reduzir problemas decorrentes de eventos transitórios que podem ocorrer durante a operação normais de chaveamentos ou descargas atmosféricas. Capacidade de Transmissão Um fator importante a considerar nas linhas de transmissão é sua capacidade de transporte de potência, o seu limite de transmissão. Esse valor não é único, pois depende do critério adotado. Usualmente são utilizados como critérios os da ampacidade, da potência natural, da tensão operativa, da estabilidade estática e colapso de tensão. A ampacidade é a capacidade máxima de corrente elétrica nos condutores, que depende das suas características térmicas. A temperatura dos condutores depende da corrente elétrica e das condições metereológicas. Influenciam na sua dilatação, aumentando a flecha e diminuindo a distância do condutor para o solo, mas que deve ser atendida uma altura mínima de segurança. A potência natural é uma das características das linhas de transmissão. Seu valor varia diretamente com o quadrado da tensão e inversamente com a impedância característica da linha, que depende da capacitância e reatância. Ela equivale à potência de uma carga com factor de potência unitário que esteja 5 demandando essa potência, sendo que nessa condição a energia reativa da linha é consumida por ela própria e as perdas são mínimas. Aumentar a potência natural corresponde a aumentar a capacidade de transmissão. A compensação de linhas é obtida através de capacitores em derivação e capacitores série. Para linhas com grandes comprimentos, da ordem de 400 km ou mais, é necessário também o uso de equipamentos de compensação indutiva, através de reatores em derivação.Uma combinação adequada dos equipamentos de compensação podem promover o aumento da capacidade de transmissão da linha. As tensões de operação nos terminais das linhas devem obedecer determinados limites, normalmente 5% para mais e para menos em torno da tensão nominal, sendo um fator condicionante da capacidade de transmissão da linha. Normalmente essas tensões são resultantes da ação dos equipamentos de compensação e controle. O limite de transmissão por estabilidade estática corresponde ao máximo de potência que a linha pode transmitir sem perder a estabilidade de regime permanente. Em termos aproximados, esse limite depende diretamente do produto das tensões terminais e inversamente da reatância da linha e ocorre quando o ângulo da carga, ou ângulo entre as tensões, atinge 900. Também se constitue em indicador da capacidade de transmissão da linha a proximidade da ocorrência de colapso de tensão, que corresponde ao máximo que a linha pode transmitir com uma determinada tensão do lado da fonte. Normalmente nessa condição a tensão no lado da carga é muito baixa, mas para linhas longas o ponto de colapso pode ser da ordem das tensões operativas, isto é, em torno das nominais. Tipos de Transmissão Quanto à forma de onda gerada a transmissão pode ser em tensão ou corrente alternada (CA) e tensão ou corrente contínua (CC). Quanto ao número de fases pode ser monofásica, bifásica, trifásica, hexafásica etc.. Sob o aspecto físico a transmissão pode ser através de linhas aéreas, linhas subterrâneas e linhas subaquáticas. 6 A transmissão em corrente contínua tem sido considerada também como alternativa para a transmissão de grandes blocos de energia. A conversão entre corrente alternada e corrente continua é realizada através de retificados utilizando tiristores de alta tensão, sendo seu custo o maior fator de desvantagem. O uso da corrente contínua tem como vantagens o desacoplamento entre sistemas e a economia de cabos, usando estruturas mais leves. Pode ser realizada de forma unipolar (um condutor, com retorno pelo terra) ou bipolar (dois condutores, de polaridades positiva e negativa). Uma solução para os grandes centros urbanos é o uso de linhas subterrâneas, normalmente na distribuição e às vezes na subtransmissão. A principal dificuldade é na isolação e blindagem dos condutores, de forma a acomodarem-se nos espaços reduzidos, ao contrário das linhas aéreas que utilizam cabos nus, utilizando-se do ar como isolante natural. O uso de condutores isolados também dificulta a dissipação de calor, reduzindo consideravelmente a ampacidade da linha. O grande fator limitante é o custo, podendo ser da ordem de dez vezes o custo das linhas a éreas Na travessia de rios e canais por linhas aéreas demanda um projeto especial, por quase sempre haver a necessidade de transpor um vão muito grande. A catenária formada pelos cabos poderia ser muito grande, necessitando o uso de cabos com liga especial e torres muito altas. Pode-se mencionar que na travessia do Rio Yangtze uma linha de transmissão apresenta as torres maiores do mundo, com 346,5 m de altura, para transpor um vão de 2303 m. As linhas submarinas evita o uso de estruturas, reduzindo a poluição visual e contornando-se problemas de navegação. Níveis de Tensão O transporte de energia pode ser feita em diversos níveis de tensão, com valores padronizados, podendo ser classificada conforme segue: Distribuição: 13,8 e 34,5 kV Subtransmissão: 69 e 138 kV Transmissão: 230 kV e valores superiores. 7 A transmissão propriamente dita pode ser classificada como: Alta tensão: 230 kV Extra-alta tensão: 345, 500, 765 kV (CA), 600 kV (CC) Ultra-alta tensão: 1000 kV (CA), 800 kV (CC) e valores superiores. A Figura 1.1 mostra exemplos de linhas de transmissão em 765 kV, 500 kV e 230 kV. Figura 1.1 - Exemplos de linhas de transmissão A Figura 1.2 mostra exemplos de linhas de subtransmissão e distribuição em 138 kV, 69 kV e 13,8 kV. Figura 1.2 - Exemplos de linhas de subtransmissão e distribuição A Figura 1.3 mostra um exemplo de uma linha de transmissão em CC 600 kV, um cabo para linha subaquática CC 200 kV e um trecho em construção de uma LT 230 kV. 8 Figura 1.3 - Exemplo de LT em CC, cabo CC para linha subaquática e LT subterrânea Evolução dos Sistemas de Transmissão Alguns marcos históricos relacionados com a evolução dos sistemas de transmissão de energia podem ser mencionados em destaque, conforme indicado a seguir: 1880: Fase inicial em CC (Edison, New York); 1885: CA (George Westinghouse/EUA); 1885/1886: Sistema experimental em CA com 50 lâmpadas; 1888: Motores de indução e síncronos bifásicos (Tesla); 1889: Primeira UHE no Brasil; 1890: Primeira LT em operação, Oregon/EUA, 3,3 kV, 20 km, monofásica, iluminação, motores monofásicos; 1893: Distribuição bifásica; 1894: 5 UHE nos EUA (1 bifásica/e 4 trifásicas); 1907: Transmissão em 100 kV; 1913: Transmissão em 220 kV; 1917: Sistemas interligados; 1923: Transmissão em 244 kV (operação em 1926); 1926: Transmissão em 287 kV (operação em 1936); 1953: Transmissão em 345 kV; 1965: Transmissão em 500 kV e 735 kV (Hidro Quebec/Canadá); 1969: Transmissão em 765 kV. 9 Sistema de Transmissão no Brasil O sistema elétrico brasileiro é um dos maiores e mais complexos do mundo. Em termos de transmissão de energia elétrica pode-se mencionar alguns dados relativos aos quantitativos de linhas de transmissão e de potência transmitida, conforme segue: Capacidade instalada de geração de energia elétrica: - 124.796 MW, em 2013; - 195.883 MW, previsão para 2023. Capacidade de transformação na transmissão: - 288.946 MVA, em 2013; - 451.904 MVA, previsão para 2023. O sistema de transmissão nas tensões de 230 kV a 750 kV: - 112.660 km, em 2013; - 182447 km, previsão para 2023. Observa-se que a demanda máxima instantânea verificada em 2013 foi de 84.481 MW, prevendo-se 118.993 MW para 2023. Estudos Realizáveis em Linhas de Transmissão Dentre os tipos de estudos que podem ser realizados envolvendo as linhas de transmissão podem ser mencionados: Análise em regime permanente; Influência das características das cargas; Análise de transitórios; Sobretensões, isolamento e sobrecorrentes; Projetos mecânicos e custos; Aspectos ambientais e biológicos; Efeitos corona, interferências e ruídos. Desenvolvimentos e Perspectivas A seguir estão mencionados alguns pontos que representam áreas em que se encontra elevado desenvolvimento tecnológico e perspectivas para o futuro da transmissão de energia: 10 Transmissão UAT/CA em 800 a 1500 kV (EUA, Canadá, Japão, Rússia, Itália, Brasil); Transmissão CC (EUA, Itália, Brasil, China), Eletrônica de potência, multiterminais; Transmissão hexafásica; Linhas de transmissão compactas; Linhas de meio comprimento de onda; Linha de potência natural elevada – LPNE; Compensação de reativos e controle de tensão; Tecnologias de materiais e equipamentos; Tecnologias de informática e comunicação. 11 2. CONCEITOS BÁSICOS Os estudos de transmissão de energia elétrica utilizam como variáveis as grandezas fundamentais tensão e corrente e as grandezas derivadas potência e energia. Nas linhas trifásicas são consideradas as tensões de linha (entre fases) e as tensões de fase (entre fase e neutro) e as correntes de linha (em cada fase) e as correntes entre fases. As potências são dostipos potência ativa ou real, potência reativa ou imaginária e potência aparente. Os parâmetros básicos são a resistência, a indutância, a condutância e a capacitância, assim como os valores derivados das reatâncias indutivas e capacitivas e das correspondentes impedâncias. As linhas apresentam-se em diversos níveis de tensão padronizados, desde a distribuição em 13,8 kV até ultra tensão, acima de 1000 kV. Em função do nível de tensão e do comprimento as linhas podem ser reunidas em três grupos, como linhas curtas, linhas médias e linhas longas, para efeito de realização dos estudos de forma simplificada ou de forma exata. Para os estudos das linhas elas podem ser representadas através de modelos de impedâncias concentradas ou de impedâncias distribuídas, dependendo do grau de precisão necessária. Os modelos de impedâncias concentrados são usualmente dos tipos T e π, nominais e equivalentes. A análise do comportamento e desempenho da linha pode ser realizada em regime permanente, assim como em regime transitório na propagação de ondas de tensão e de corrente na linha. Tensão, Corrente e Potência As tensões e correntes nas linhas podem ser expressas como funções do tempo e como fasores, conforme as seguintes correspondências: 12 Nessas expressões tem-se os valores máximos VM e IM, os valores eficazes Vef e Ief e as fases 0 0 e α0, correspondentes às tensões e correntes, respectivamente. Os valores podem ser para circuitos monofásicos e circuitos equivalentes monofásicos de um circuito trifásicos, com grandezas de linha ou de fase. As expressões das potências instantâneas p(t) e aparentes S são as seguintes: As funções v(t), i(t) e p(t) podem ser representadas conforme mostradas no gráfico da Figura 2.1. Figura 2.1 – Representação das tensões correntes e potências Desenvolvendo a expressão da potência, tem-se: A potência é constituida, portanto, de duas parcelas ou componentes, que correspondem à potência na parte resistiva, chamada de potência real ou ativa, e potência na parte reativa, chamada de potência reativa, respectivamente, tendo- se então: 13 A potência média da segunda parcela é nula e a potência média total resulta na potência média da primeira parcela, isto é: As componentes da potência também podem ser expressas em termos das correntes na parte resistiva e na parte reativa, constituindo-se nas seguinte formas: As componentes da corrente na parte resistiva e na parte reativa são, portanto: Em termos de fasores, a composição das potências ativa e reativa forma a potência aparente. Dessa forma, sendo P a potência a ativa e Q a potência reativa fica definida uma potência aparente S, complexa, da seguinte forma: O ângulo θ é o ângulo entre a potência ativa e a potência aparente, que corresponde também ao ângulo entre a tensão e a corrente. O fator de potência fp é a relação entre a potência ativa e a potência aparente sendo, portanto, igual ao cosseno do ângulo entre essas potências, isto é, cosθ. Tem-se, então, que: 14 Essas grandezas podem ser representadas através dos fasores das tensões e correntes e do triângulo de potências ativas, reativas e aparentes, conforme mostra a Figura 2.2. Figura 2.2. Representação dos fasores e triângulo de potências Modelos para Análise das Linhas Os modelos de análise de linhas de transmissão envolvem os valores instantâneos e complexos das tensões, correntes e potências. As grandezas podem ser expressas, portanto, no domínio tempo e no domínio frequência, dependendo do tipo de estudo, se no estado transitório ou permanente. As linhas podem ser representadas através de modelos de linhas curtas, médias e longas, dependendo dos níveis de tensão e comprimentos envolvidos, também em função do grau de precisão necessário aos estudos. Cada modelo de linha é representado através dos seus parâmetros, concentrados e distribuídos, tendo como alternativa a representação de um determinado modelo por outro equivalente. Os parâmetros básicos das linhas são a resistência, a condutância, a indutância e capacitância, mas nas linhas de transmissão serão utilizadas as constantes generalizadas ABCD, que dependem desses parâmetros, conforme será visto adiante. As linhas podem ser analisadas através de alguns valores calculados a partir dos parâmetros básicos, que podem ser considerados como características das linhas, a saber: impedância característica, impedância de surto, potência natural, constante de propagação e constantes de fase e de atenuação. Essas características serão apresentadas adiante. Transmissão de Potência e Capacidade de Transmissão No processo de transmissão de energia é de interesse a determinação das tensões e correntes, da variação de tensão e regulação, das perdas e da variação 15 de reativos, cujos valores estão relacionados com os limites de transmissão de potência na linha. A capacidade de transmissão de uma linha não é um único valor, pois dependem de várias condições, assim como dos critérios ou condições consideradas. Os critérios usuais são discriminados a seguir: Capacidade por corrente; Capacidade pela tensão operativa; Capacidade por estabilidade estática; Capacidade por colapso de tensão; Capacidade pela potência natural. Análise da Linha Curta Considera-se como linha curta, em geral, uma linha com uma tensão de distribuição em 13,8 kV e 34,5 kV, ou em tensões maiores mas com o comprimento pequeno, até cerca de 80 km. Basicamente a linha curta é representada pela resistência e reatância indutiva do condutor. As equações que envolvem as tensões e as correntes em função das potências são aproximadas, mas compatíveis com os resultados a serem obtidos. A Figura 2. 3 mostra uma representação de uma linha curta e o diagrama fasorial correspondente. Figura 2. 3 - Representação de uma linha curta e diagrama fasorial Normalmente são determinadas as quedas de tensão na linha e a regulação na carga, utilizando-se os parâmetros e variáveis em valores normais ou em por unidade (pu) e por cento (%). Sendo a potência na carga S=P+jQ, e a tendo a tensão na carga como referência, com ângulo δ=00, a equação da linha é dada por: 16 A queda de tensão na linha é: Em termos aproximados, a queda de tensão na linha pode ser dada em volt (V) por: Utilizando as unidades em kW, kVAr, MW, MVAr e kV, tem-se em (kV): Por exemplo, para uma linha de 10 km de comprimento, com os parâmetros r = 0,1 Ω/km e x = 0,5 Ω/km, tem-se: R = 1 Ω e X = 5 Ω. Alimentando uma carga de P = 2 MW e Q = 1 MVAr, na tensão V = 13,8 kV, resulta uma queda de tensão ∆V ≈ 0,51 kV, ou seja, 3,7 % da tensão da linha. A quedade tensão expressa em por unidade (pu) e por cento (%) da tensão de referência é dada por: Adotando uma determinada base de potência, normalmente 100 MVA para as linhas de transmissão e sistemas de potência, tem-se que: Utilizando todos os valores de impedâncias e potências em pu, tem- se uma expressão muito simples: Por exemplo, para a linha de R = 1 Ω e X = 5 Ω alimentando a carga de valores P = 2 MW e Q = 1 MVAr, na tensão V = 13,8 kV, tem-se em por unidade que R = 0,525 pu, X = 2,625 pu, P = 0,02 pu e Q = 0,01 pu. Resulta uma queda de tensão ∆V ≈ 0,037 pu, ou seja, 3,7 % da tensão da linha. 17 A regulação de tensão ρ na barra de carga pode ser definida como a diferença entre as tensões nessa barra em vazio V0 e em carga Vc, em relação à tensão em carga, isto é: No caso de variação somente de reativo, tem-se aproximadamente: Istoé, a regulação da tensão na carga no final da linha é igual ao produto da reatância da linha pela variação da potência reativa. Análise da Linha Média Considera-se com linha média, em geral, uma linha com uma tensão de subtransmissão em 69 kV e 138 kV, ou em tensões mais elevadas, mas com o comprimento pequeno, até cerca de 240 km. Basicamente a linha média é representada pela resistência, reatância indutiva série e reatância capacitiva derivação do condutor ou pela resistência, indutância e capacitância, conforme mostra a Figura 2.4. Figura 2. 4 - Representações de uma linha média As equações que envolvem as tensões e as correntes em função das potências são também aproximadas, mas compatíveis com os resultados a serem obtidos. Normalmente são determinadas as quedas de tensão na linha e a regulação na carga, utilizando os parâmetros e variáveis em valores normais ou em por unidade (pu) e por cento (%), como nas linhas curtas, acrescentando-se porem a influência da carga capacitiva da linha, utilizando-se os modelos T ou π. É importante no caso das linhas médias a determinação da elevação da tensão da linha em vazio (sem carga), decorrente da potência capacitiva da linha. 18 Utilizando o modelo π, e desprezando a resistência em relação à reatância indutiva, tem-se para a tensão em vazio na linha média, em pu: Utilizando as reatâncias em por unidade de km, isto é, x (Ω/km) e x’ (Ω.km), tem-se que: Expressando o valor do comprimento l da linha como l’ em centenas de km, Istoé, l’ = l/100, tem-se: Utilizando, por exemplo, valores típicos para as reatâncias indutivas x em torno de 0,5 Ω/km e capacitivas x’ entre (0,25 a 0,3) MΩ.km, obtém-se: Variando os condutores e, portanto, os valores de x e x’, tem-se que ∆V% varia entre (0,8 e 1,0)l’2. Pode-se, então, considerar a seguinte regra prática: “A elevação de tensão em linhas médias em vazio, em %, é da ordem do quadrado do comprimento da linha expresso em centenas de km”. Por exemplo, uma linha de 100 km de comprimento apresenta uma elevação de tensão da ordem de 1 %; para 200 km a elevação é de 4 %, e assim por diante. Essas elevações praticamente não dependem dos condutores e dos níveis de tensão, e podem ser aplicadas para linhas até comprimentos da ordem de 500 km. A carga ou carregamento da linha média Sc, devido à capacitância pode ser determinada a partir da tensão de fase VF ou tensão de linha VL e da corrente de carregamento IC ou reatância capacitiva XC, através das expressões: 19 Isto é: a potência capacitiva da linha em MVAr é igual ao quadrado da tensão de linha em kV dividido pela reatância capacitiva por fase da linha XC. Em por unidade ou centenas de km, tem-se: Utilizando valores típicos para x’ obtém-se para Sc, por exemplo para 69 kV, um valor da ordem de 1,5 MVAr/100 km. Para as demais tensões é só considerar que a potência reativa da linha varia com o quadrado da tensão. Assim, para cada 100 km de comprimento as linhas apresentam as potências capacitivas, ou carregamentos, indicados na Tabela 2.1. Tabela 2.1 - Potências capacitivas das para 100 km de comprimento Tensão (kV) 13,8 69 138 230 500 (MVAr/100km) 0,06 1,5 6.0 16,7 78,8 A susceptância B de uma linha de comprimento l pode ser expressa na base de 100 MVA, em pu e %, da seguinte forma: Resulta, portanto, que: Deste resultado pode-se observar que: ”A susceptância da linha em % é igual à sua potência capacitiva em MVAr”. A potência natural da linha Pn é definida como a razão entre o quadrado da tensão da linha VL=V e sua impedância característica ZC, isto é: Sendo: 20 Pode-se verificar que, em geral, a impedância característica de linhas trifásicas são da ordem de 400 Ω, donde se pode determinar a ordem de grandeza da potência natural das linhas de transmissão. Por exemplo, a potência natural de uma linha de 69 kV é da ordem de 12 MVA e de uma linha de 230 kV cerca de 132 MVA. Potência Transmitida Aproximada A potência transmitida numa linha de transmissão pode ser determinada, de forma simplificada, para o caso de uma linha curta, conforme segue. A Figura 2.5 mostra a representação de uma linha média compreendida entre duas barras a e b, com indicação da sua impedância e das tensões, correntes e fluxos das potências envolvidas. Figura 2. 5 – Fluxos de potências em uma linha média A potência transmitida de a para b é dada pela expressão: Em termos das potências ativas e reativas, tem-se: De forma semelhante, a potência transmitida de b para a é dada por: Em termos das potências ativas e reativas, tem-se: 21 Tem-se a seguinte diferença de potências: A diferença Pab - Pba corresponde às perdas ativas e a diferença Qab - Qba corresponde à variação de reativos. Considerando as resistências desprezíveis, isto é R<<X, tem-se um resultado bastante simples, mas de importância muito grande, pois dá uma ideia aproximada da potência ativa transmitida nas linhas, conhecendo-se as tensões terminais. Tem-se, então: A Figura 2.6 mostra o gráfico representativo dessa função Pab = f(δ), chamada de curva de carga, destacando-se o valor máximo PM e as áreas em que a transmissão é estável, com δ < 900, e instável, com δ > 900: Figura 2. 6 – Curva de Carga em uma linha de transmissão Por exemplo, considerando um linha com uma reatância X = 50 Ω, tendo- se as tensões terminais iguais e controladas em Va = Vb = 69 kV, a potência máxima transmitida é de PM = 95,2 MVA. Com metade dessapotência o ângulo de carga resultante é δ=300. Este caso em pu apresenta Va = Vb = 1 pu e X = 1,050 pu. A potência máxima transmitida resulta em PM = 0,952 pu, isto é de PM = 95,2 MVA. O gráfico da Figura 2.7 ilustra a variação da tensão em função da potência transmitida em linhas médias. São consideradas linhas de comprimentos entre 200 a 800 km. Estão representadas as tensões na carga em relação à tensão da 22 fonte VR/ES (pu) em função das potências da carga em relação à potência natural PR/Pn (pu). Figura 2.7 - Variação da tensão em função da potência transmitida em linhas médias Esses gráficos ilustram, de forma aproximada, o comportamento de linhas de transmissão médias, como a potência transmitida e a capacidade de transmissão, e servem como ideia preliminar para avaliação do comportamento das linhas de transmissão em geral. 23 3. CONDUTORES E PARÂMETROS DAS LINHAS As linhas de transmissão de energia apresentam como parâmetros elétricos a resistência, a indutância, a condutância e a capacitância. Das indutâncias e capacitâncias resultam as reatâncias indutivas e capacitivas. A impedância série é a composição da resistência e reatância indutiva e a admitância derivação, ou shunt, é a composição da condutância e reatância capacitiva. A susceptância é a admitância derivação desprezando-se a condutância. O comportamento das linhas depende desses parâmetros, que por sua vez influenciam o comportamento do sistema de potência. Os parâmetros podem ser representados como concentrados ou distribuídos e considerados de forma completa ou de forma simplificada, dependendo do tipo de estudo a ser realizado. A resistência depende da resistividade elétrica do material condutor e de suas dimensões físicas, e está associada diretamente às perdas devido à condução da corrente. A resistência elétrica do condutor R, em ohm (Ω), varia diretamente com o comprimento l, em metro (m) e inversamente com a área da seção transversal A, em m2, sendo a resistividade ρ o fator de proporcionalidade, em (Ω.m). Tem-se, então: A condutância entre condutores e entre condutores e terra leva em conta basicamente a corrente de fuga dos isoladores das linhas aéreas ou da isolação nas linhas subterrâneas. No caso das linhas aéreas normalmente a condutância é desprezível pelo baixo valor relativo na composição da admitância. A indutância e a capacitância dependem das dimensões físicas dos afastamentos entre os condutores e às propriedades do meio, e estão associadas aos campos magnéticos e elétricos devido às correntes e às tensões, respectivamente. Dependem das propriedades do meio, expressas pela permeabilidade magnética e permissividade elétrica, respectivamente. 24 A indutância em um circuito, constituído de uma ou mais voltas de uma bobina percorridas por uma corrente elétrica, resulta da produção de um campo magnético em torno do circuito, campo este que cria um fluxo que as atravessa. Nas linhas de transmissão as correntes passam apenas por um circuito constituído de apenas uma volta. A indutância L é a relação entre o fluxo magnético Φ, em weber (Wb) e a corrente elétrica I, em ampère (A), sendo sua unidade Wb/A ou henry (H). Autoindutância ou indutância própria L de um condutor resulta da relação entre o fluxo em torno do condutor e a corrente que passa pelo próprio condutor. A indutância múrua M entre condutores resulta da relação entre o fluxo em torno de um condutor e a corrente que passa pelo outro condutor As indutâncias próprias de um condutor 1 e mútuas entre os condutores 1 e 2 podem ser expressas, portanto, pelas relações: . Uma corrente elétrica variável em um condutor produz uma força eletromotriz no sentido contrário à variação de corrente à qual ele está submetido, tendendo a manter o fluxo devido ao campo magnético. A força eletromotriz ou tensão induzida e, em volt (V), é dada pela relação: A capacitância em um circuito, num conjunto de condutores, resulta da produção de um campo elétrico radialmente em torno do circuito, decorrente da da tensão elétrica no condutor, campo este que depende da carga elétrica resultante. Nas linhas de transmissão as capacitâncias aparecem entre os condutores e entre os condutores e a terra. A capacitância C é a relação entre a carga elétrica Q, em coulomb (C), e a tensão no condutor, em volt (V), sendo sua unidade (C/V) ou farad (F). É definida pela relação: 25 Tipos de Condutores Os condutores utilizados para transmissão de energia elétrica devem apresentar características mecânicas e elétricas específicas, que atendam os requisitos necessários à transmissão, como alta condutibilidade elétrica, baixo custo, boa resistência mecânica, baixo peso específico e elevada resistência a oxidação. Os condutores são predominantemente de alumínio, podendo-se usar também condutores de cobre em algumas situações, como em alguns casos nas linhas de distribuição. Os condutores de cobre são melhores condutores de eletricidade que os de alumínio, porem seu uso limitado deve-se ao seu custo mais elevado, como também ao seu maior peso. São utilizados normalmente como os seguintes tipos de condutores de alumínio: CA – condutores de alumínio puro; CAA - condutores de alumínio com alma de aço (ou ACSR - aluminium conductor steel reinforced); CAAA - condutores de liga de alumínio (ou AAAC – all aluminium alloy conductors); ACAR - condutores de alumínio com alma de liga de alumínio (aluminium conductor alloy reinforced). A alma de aço ou de liga de alumínio serve para garantir maior resistência à tração aos condutores de alumínio. Normalmente os condutores são nus, mas podem também ter isolamento, como nas linhas subterrâneas e subaquáticas, ou serem semi-isolados em certos casos nas redes de distribuição aérea. Os condutores, também chamados de cabos condutores, são constituídos, em geral, de subcondutores formando camadas superpostas encordoadas, em sentido contrário e sob a forma helicoidal, fazendo com que o raio interno de uma camada seja praticamente o mesmo do raio externo da camada vizinha e evite que os fios se desenrolem e garanta sua flexibilidade. O número de subcondutores N de alumínio pode ser estimado em função do número de camadas n, de forma orientativa, através de relação: 26 Por exemplo, para n = 2 camadas, tem-se N = 19 subcondutores. No entanto, os condutores de 2 camadas podem apresentar número de subcondutores diferente desse resultado. A Figura 3.1 mostra o exemplo da seção transversal de um cabo com 7 fios de aço no núcleo em duas camadas e 24 fios de alumínio em duas camadas, designado como 24 Al / 7Aço, ou simplesmente 24 / 7, e o encordoamento de um condutor 6/1. Figura 3.1 – Ilustração da seção transversal e encordoamento de um cabo condutor O diâmetro do condutor D pode ser calculado, aproximadamente, a partir do diâmetro dos subcondutores através da expressão: A unidade mais usual para expressar o diâmetro do condutor é o circular mil (CM), que corresponde a uma área de um círculo com um diâmetro de um milésimo da polegada, chamada de (mil). A área do condutor em CM é igual ao quadrado do diâmetro do condutor em (mil), sendo tal que multiplicada por π/4 dá igual à área em (mil)2. Tem-se a seguinte correspondência com a área expressa em mm2: Normalmente utiliza-se a unidade MCM, que quer dizer “mil circular mil”,isto é , mil vezes o CM. Os condutores são designados por nomes códigos e por MCM. 27 Utiliza-se como padrão de condutividade, que é o inverso da resistividade, a do cobre recozido. A condutividade do cobre têmpera dura tem 97,3% do valor padrão e a do alumínio 61%. Têm-se os seguintes valores usuais de resistividade, a 200C: Cobre têmpera dura: ρ = 1,17x10-8 Ω.m = 10,66Ω.CM/pé; Alumínio: ρ = 2,83x10-8 Ω.m = 17,00 Ω.CM/pé. Resistência Elétrica A resistência elétrica dos condutores depende de alguns fatores, como o encordoamento, a temperatura e o tipo de corrente. O encordoamento aumenta o comprimento dos fios e sua resistência aumenta com isso cerca de 1% a 2%. A resistência varia com a temperatura praticamente de forma linear. A resistência do condutor R2 a uma temperatura T2 pode ser determinada em função da resistência R1 a uma temperatura T1 através da seguinte relação: O valor T é uma constante que depende do condutor, conforme indicado a seguir: T= 234,5 para cobre recozido com 100 % de condutividade; T= 241,0 para cobre têmpera dura com 97,3 % de condutividade; T= 228,0 para alumínio têmpera dura com 61 % de condutividade. A variação da resistência dos condutores com a temperatura pode ser visualizada no gráfico apresentado na Figura 3.2. Figura 3.2 – Variação da resistência dos condutores com a temperatura 28 Por exemplo, se um condutor de alumínio têmpera dura com 61 % de condutividade apresenta um resistência R1 = 10 Ω a uma temperatura T1 = 20 0, a sua resistência em T2 = 40 0 resulta em R2 = 10,8 Ω. A distribuição uniforme de corrente nos condutores ocorre somente em corrente contínua. Na corrente alternada essa distribuição não é uniforme, crescendo, em geral, do interior para a superfície, o que provoca um fenômeno chamado de efeito pelicular, resultando em aumento da resistência elétrica. Verifica-se que a resistência à corrente alternada é da ordem de 2 % a 4 % da resistência à corrente contínua, isto é. Disposição dos Condutores Um condutor pode ser formado de apenas um fio, apresentando um determinado raio, que é o raio do próprio fio. Sendo constituído de dois ou mais fios ou subcondutores são chamados de condutores múltiplos e apresenta um raio que depende dos raios dos subcondutores. Numa linha monofásica o espaçamento entre os dois condutores é a distância entre os centros dos condutores. Numa linha trifásica simétrica o espaçamento entre os dois condutores é a distância entre os centros de cada um dos condutores para os demais. Numa linha trifásica assimétrica o espaçamento entre os dois condutores é uma distância equivalente à média geométrica das distâncias entre os centros de cada um dos condutores para os demais. Para os condutores 1, 2 e 3 de uma linha trifásica assimétrica, com espaçamentos D12, D23 e D31 tem-se para espaçamento equivalente Deq: Cada fase de uma linha é constituída geralmente de apenas um condutor, mas pode ser constituída de 2, 3, 4, ou mais subcondutores em paralelo, geralmente dispostos nos vértices de um polígono regular de lado d, cujo espaçamento é da ordem de 30 cm. 29 Esses condutores são chamados de condutores múltiplos e apresentam-se conforme as configurações mostradas na Figura 3.3. Figura 3.3- Configurações de condutores múltiplos Cada um desses condutores apresenta um raio equivalente, cujo centro está localizado no centro geométrico dos subcondutores, sendo dados pelas seguintes expressões: Dois subcondutores: Três subcondutores: Quatro subcondutores: Algumas linhas trifásicas podem ser constituídas de circuitos simples, cada uma das três fases formada de condutores simples ou múltiplos. Outras linhas podem ser constituídas de circuitos em paralelo, como se fossem duas ou mais linhas numa mesma estrutura ou em estruturas distintas, também formadas de condutores simples ou múltiplos, e apresentando uma grande variedade de configurações. Campos Elétricos e Magnéticos Numa linha de transmissão a corrente elétrica cria um campo magnético que envolve o condutor e está concatenado com o circuito. A tensão no condutor cria um campo elétrico radial, com origem no condutor com carga elétrica positiva, terminando no condutor de carga negativa. A Figura 3.4 mostra uma representação dos campos magnéticos H e elétricos E presentes numa linha de transmissão monofásica, ou a dois fios, com a corrente entrando num circuito e retornando pelo outro: 30 Figura 3.4 - Representação dos campos magnéticos e elétricos Os campos magnéticos e elétricos dependem dos meios. As propriedades básicas desses campos são a permeabilidade magnética μ e a permissividade elétrica ξ, para o caso das linhas de transmissão os meios são o ar e os condutores. Observa-se que esses meios apresentam praticamente as mesmas propriedades que o vácuo, cujos valores são: Uso de Tabelas As características dos condutores podem ser encontradas em tabelas. Algumas dessas características estão apresentadas, de forma simplificada, nas tabelas seguintes, considerando valores típicos de espaçamentos equivalentes para alguns níveis de tensão e tipos de condutores. As Tabelas 3.1 a 3.4 mostram alguns dados relativos às características das linhas, dos condutores e espaçamentos usuais. Tabela 3.1 – Tensões, condutores e espaçamentos equivalentes Tensões (kV) Condutores (AWG, MCM) Espaçamento Equivalente (m) (pé) 13,8 1/0, 4/0 1,35 4,40 34,5 4/0, 336.4 1,58 5,18 69 4/0, 336.4 3,60 11,81 138 336.4, 636.0 5,10 16,73 230 636.0 10,10 33,13 31 Tabela 3.2 - Características de condutores Condutor (AWG, MCM) Resistência (r, Ω/km - 500C) Reatância Indutiva (xa, Ω/km, 60Hz) (*) Reatância Capacitiva (xa´, MΩ.km, 60Hz) (*) 1/0 0,696 0,408 0,196 4/0 0,368 0,361 0,179 336.4 0,190 0,280 0,167 636.0 0,100 0,256 0,152 (*) - Para espaçamento de 1pé Tabela 3.3 - Tensões e reatâncias para espaçamento de d pés (kV) xd (Ω/km) xd´ (MΩ.km) 34,5 0,124 0,078 69 0,187 0,118 138 0,235 0,135 230 0,264 0,168 Tabela 3.4 - Resistências e reatâncias totais (kV) Condutor (r, Ω/km) (x, Ω/km) (x´, MΩ.km) 13,8 1/0 0,696 0,520 0,227 34,5 4/0 336.4 0,368 0,190 0,485 0,404 0,257 0,245 69 4/0 336,4 0,368 0,190 0,548 0,467 0,297 0,285 138 336,4 636.0 0,190 0,100 0,515 0,491 0,302 0,287 230 636.0 0,100 0,520 0,320 Obs: x = xa + xd x´ = xa´ + xd´ Pode-se observar que reatâncias indutivas e capacitivas totais não variam muito com as tensões, com os condutores, nem com os espaçamentos. Pode-se verificar que a ordem de grandeza dessas reatâncias é a seguinte: x ≈ 0,5 Ω/km x´ ≈ 0,3 MΩ.km 32 4. INDUTÂNCIA DE LINHAS DE TRANSMISSÃO A passagem da corrente elétrica no condutor de uma linha de transmissão produz em seu entorno um campo magnético como também um fluxo magnético concatenado. A variação da corrente, e consequentemente desse fluxo, produz uma tensão induzida ao longodo condutor. A tensão induzida, e em volt (V), pode ser determinada a partir da corrente i, em ampère (A) ou do fluxo concatenado τ, em weber.espira (Wb.e), através das seguintes expressões: A indutância L é o coeficiente de proporcionalidade entre a tensão induzida e a variação da corrente em relação ao tempo. Sua unidade é Wb.e/A ou Henry (H). A indutância representa a variação do fluxo concatenado em relação à variação da corrente. Porem, no meio em que a permeabilidade magnética é constante, há proporcionalidade entre o fluxo concatenado e a corrente e, portanto, a indutância L é constante, isto é: Em estado permanente o fluxo concatenado Ψ (ou λ) pode ser dado pela seguinte expressão: Ψ =LI Em corrente alternada com frequência ω tem-se para a tensão eficaz: V=jωLI V=jωΨ A indutância acima corresponde à autoindutância ou indutância própria, expressa também como: No caso da indutância mútua tem-se: 33 As indutâncias mútuas são consideradas particularmente nas influências entre linhas de transmissão em paralelo em linhas de comunição próximas as linhas de potência. Indutância de Condutor devido ao Fluxo Interno A indutância de um condutor apresenta duas parcelas, sendo uma devido ao fluxo interno e a outra devido ao fluxo externo. O fluxo interno é variável, dependendo do ponto em consideração, sendo função da corrente enlaçada até esse ponto. A Figura 4.1 mostra a seção transversal de um condutor cilíndrico com indicação do fluxo magnético interno e um condutor com a indicação do fluxo magnético externo. Figura 4.1 – Condutores e fluxos magnéticos internos e externos Pela lei de Ampère a força magnetomotriz (fmm) em A.e ao longo de qualquer contorno é igual á corrente envolvida I, em A, que atravessa a área delimitada por esse contorno, que é também igual à integral de contorno da componente tangencial da intensidade do campo magnético H, em A.e/m, ao longo do contorno s, em m, isto é: Tem-se então para a intensidade do campo magnético a uma distância x Hx, assim como para a densidade do fluxo magnético Bx = μHx, em Wb/m 2: 34 O fluxo magnético dΦ no elemento tubular de espessura dx é: A variação do fluxo concatenado dΨ é proporcional a dΦ, considerados por unidade de comprimento (m) sendo, portanto, igual a: O fluxo concatenado entre dois pontos resulta em: Para todo o condutor, em que D1 = 0 e D2 = r, e sendo μ = 4πx10 -7Wb/A.m tem-se para o fluxo total interno Ψi, em Wb.e/m: Resulta, então, para a indutância interna do condutor Li um valor constante, em unidade de comprimento H/m dado por: Indutância de Condutor devido ao Fluxo Externo Para a determinação da indutância externa a um condutor determina-se preliminarmente o fluxo concatenado entre dois pontos externos de um condutor isolado, conforme segue. O fluxo magnético dΦ no elemento tubular de espessura dx é: A variação do fluxo concatenado dΨ é numericamente igual a dΦ, pois o fluxo externo concatena toda a corrente do condutor sendo, portanto, igual a: 35 O fluxo concatenado entre dois pontos resulta em: Resulta, então, para a indutância externa do condutor, entre os pontos D1 e D2, em H/m, dado por: A partir desse resultado a indutância externa de condutores pode ser determinada para os diversos casos em que as linhas se apresentam. Linha Monofásica a Dois Fios Uma linha monofásica é constituída de dois condutores sendo o condutor 1 o principal e o condutor 2 o de retorno, sendo I a corrente no condutor principal e -I a corrente no retorno, resultando uma corrente total nula enlaçada pela linha nos dois condutores. A Figura 4.2 mostra os dois condutores com representação do campo magnético relativo ao condutor 1. Figura 4.2 - Dois condutores e campo magnético relativo a um condutor A indutância externa do circuito devido à corrente no condutor 1 corresponde à indutância entre os pontos em que D1 = 1 e D2 = D, sendo determinada por: 36 A indutância total do circuito devido à corrente no condutor 1 é igual à soma da indutância interna com a indutância externa do circuito, isto é: Essa expressão pode assumir uma forma mais compacta, resultando em: Ou ainda: ´ Sendo definido: r’1 = r1 e 1/4 , com e1/4=0,7788. Observa-se que o valor r’1 corresponde, portanto, a um raio fictício ou equivalente para o condutor em que todo o fluxo é externo ao mesmo, e cuja indutância é a mesma do condutor de raio r1. Tem-se ainda que. A expressão correspondente a L1 pode assumir a seguinte forma: ´ A primeira parcela resulta da corrente no condutor 1, sendo uma indutância própria, e a segunda resulta da corrente do condutor 2, sendo uma indutância mútua, Istoé: ´ Da mesma forma, a indutância do condutor 2, de retorno é dada por: ´ De outra forma tem-se também: ´ 37 ´ Observa-se que L12 = L21 e, se r1 = r2, tem-se L11 = L22. Para o circuito completo a indutância total é L = L1+L2, isto é: Considerando os raios dos condutores iguais, r1 = r2 = r, e consequentemente r’1 = r’2 = r’, tem-se então para a indutância total da linha a dois fios (H/m): ´ Fluxo Concatenado de um Condutor em um Grupo de Condutores Para um grupo de condutores, conforme mostra a Figura 4.3, em que a soma das correntes seja nula, pode-se determinar a indutância de cada condutor a partir do fluxo concatenado nesse condutor e a corrente que passa por ele e pelos demais condutores. A Figura 4.3 – Grupo de condutores com a soma das correntes igual a zero Sendo os condutores 1, 2,... n e as correntes I1, I2,... In, respectivamente, tal que I1+I2 +... +In = 0, o fluxo concatenado Ψ1 com o condutor 1 até um ponto P, muito afastado, devido à corrente I1 e às correntes I2, ... In, é dado por: 38 Afastando indefinidamente o ponto P tem-se D1P ≈ D2P ≈... ≈ DnP, e considerando que I1+I2 +... +In = 0, obtém-se: Condutores Compostos Condutores compostos são os constituídos de dois ou mais subcondutores. A seguir são determinadas as indutâncias dos condutorescompostos formados de subcondutores ou fios iguais e, portanto, com igual distribuição de correntes. É considerado um condutor X com n subcondutores e um condutor Y de retorno com m subcondutores, conforme mostra a Figura 4.4. Figura 4.4 - Condutores compostos de uma linha monofásica A corrente I que circula no circuito é distribuída, portanto, em I/n em cada subcondutor de X e em I/m em cada subcondutor de Y. As indutâncias dos condutores X e Y são determinadas a partir da determinação dos fluxos e indutâncias dos seus subcondutores. Tem-se, portanto, para o condutor X e seus subcondutores, inicialmente o subcondutor a: Resultando em: A indutância do subcondutor a é: 39 Igualmente são determinadas as indutâncias dos subcondutores b, c, ...n. A indutância média correspondente a cada subcondutor é: A indutância do condutor X resulta do paralelo das indutâncias médias dos subcondutores. Tem-se, então: Resulta, então: Tem-se igualmente para Ly: As expressões dos numeradores são iguais e correspondem à média geométrica das distâncias entre todos os subcondutores do condutor x para os subcondutores do condutor y. É chamada de distância média geométrica Dm (ou DMG). As expressões dos denominadores correspondem às médias geométricas das distâncias entre todos os subcondutores do mesmo condutor, sendo r’ a distância própria de cada subcondutor. São chamadas de distância média geométrica própria Ds ou raio médio geométrico (RMG) de cada condutor. Dessa forma, têm-se as indutâncias por condutor (H/m): A indutância total do condutor composto é, portanto: 40 No caso dos condutores x e y serem iguais, resulta para a indutância total: A indutância por condutor é dada, portanto, por: Através dessa expressão são determinadas as indutâncias dos diversos tipos de condutores e circuitos das linhas de transmissão, conhecendo-se os raios dos condutores ou dos subcondutores e todas as distâncias entre eles, que permitem a cálculo de Ds e Dm. Linhas Trifásicas com Espaçamento Equilátero As linhas trifásicas apresentam-se com espaçamentos entre seus condutores em forma equilátera e não equilátera. Para o caso das linhas trifásicas com espaçamento equilátero, ou simétrico (Figura 4.5), e considerando que Ia + Ib + Ic = 0, tem-se as expressões dos fluxos e das indutâncias. Figura 4.5 – Disposição equilátera de uma linha trifásica Para o fluxo ψa na fase a, tem-se: 41 A indutância La da fase a é, portanto: Igualmente são determinados os fluxos e as indutâncias Lb e Lc para as fases b e c. Devido à simetria da linha tem-se que essas indutâncias são iguais. Tem-se então: Tem-se, portanto: Na forma matricial a relação entre os fluxos e as correntes na linha trifásica com espaçamento equilátero tem a forma ψ = LI, isto é: = Linhas Trifásicas com Espaçamento não Equilátero Para o caso das linhas trifásicas com espaçamento não equilátero ou assimétrico tem-se uma representação conforme a Figura 4.6. Figura 4.6 – Ciclo de transposição de uma linha trifásica Considerando que Ia + Ib + Ic = 0, tem-se para cada uma das posições do condutor a, devido à transposição, as expressões dos fluxos e das indutâncias. 42 O fluxo concatenado médio nas três posições do condutor a é: A indutância média da fase a, e portanto de cada uma da fases, é: No caso das linhas trifásicas a distância média geométrica, também chamada de espaçamento equivalente, é: Igualmente são determinados os fluxos e as indutâncias Lb e Lc para as fases b e c. Tem-se então: Pode-se considerar, então, a igualdade das indutâncias médias das três fases, isto é: 43 Na forma matricial a relação entre os fluxos e as correntes na linha trifásica com espaçamento assimétrico tem a forma ψ = LI, isto é: = Cabos Múltiplos As indutâncias de linhas de transmissão com cabos ou condutores múltiplos, e consequentemente as reatâncias, podem ser determinadas a partir dos valores calculados para a distância geométrica própria Ds de cada condutor múltiplo e para a distância geométrica mútua Dm entre cada condutor múltiplo e os demais. Sendo r o raio de cada subcondutor e Ds0 = r’ a distância geométrica própria correspondente, ou seja, o raio geométrico médio de cada subcondutor, tem-se para a distância geométrica própria Ds dos condutores múltiplos: - 2 subcondutores: - 3 subcondutores: - 4 subcondutores: A distância geométrica mútua Dm entre cada condutor múltiplo e os demais pode ser determinada a partir das distâncias entre cada subcondutor de um condutor e os subcondutor dos demais condutores. Pode também ser calculada 44 considerando cada condutor com o raio igual a Ds tendo o seu centro no centro geométrico do condutor múltiplo. A Figura 4.7 mostra um exemplo de uma linha de transmissão com os condutores duplos, tendo-se como subcondutores aa’, bb’ e cc’, afastados de uma distância d, sendo D a distânciaentre os centros dos condutores duplos. Figura 4.7 - Condutores duplos de uma linha trifásica Por exemplo, para o caso da Figura 4.7 sendo conhecidos os raios dos subcondutores r = 1 cm (r’ = 0,7788x10-2 m), a distâncias entre eles d = 40 cm (0,4 m) e a distância D = 10 m, tem-se: Ds = 5,58 cm (0,0558 m) e Dm = 12,57 m. A indutância por fase é L = 10,83x10-7 H/m. A Figura 4.8 mostra a configuração dos condutores de uma linha de potência natural elevada (LPNE). Figura 4.8 - Configuração dos condutores de uma LPNE. Nessa configuração procura-se aproximar as fases, através dos seus centros geométricos, e afastar os subcondutores de cada fase, de modo a reduzir a indutância da linha, assim como aumentar sua capacitância. Dessa forma, tem- se o aumento da potência natural e, consequentemente, a capacidade de transmissão. Linhas Paralelas As linhas paralelas apresentam um grupo de condutores, com as três fases, próximo de outro grupo de condutores, de outras três fases, operando em paralelo. Podem estar na mesma estrutura ou em estruturas distintas. 45 A Figura 4.9 mostra um exemplo com os condutores de duas linhas de transmissão paralelas, a b c e a’ b’ c’. Figura 4.9 - Condutores de duas linhas trifásicas paralelas A indutância dessas linhas paralelas pode ser obtida a partir do cálculo de Ds e Dm. O valor de Ds é a média geométrica das distâncias média geométrica própria Ds das fases aa’, bb’ e cc’, que consideram os raios dos condutores e a distância entre os condutores da mesma fase. O valor de Dm é a média geométrica das distâncias entre os condutores de uma linha e os condutores da outra linha de fases distintas. Como alternativa, a indutância de linhas paralelas pode ser determinada como a média das indutâncias de cada linha, consideradas separadamente. Esses resultados são aproximados, e tornam-se aguais ao obtido anteriormente se as linhas estiverem muito afastadas. Indutância de Linhas Hexafásicas A indutância de linhas hexafásicas pode ser determinada de forma semelhante às linhas trifásicas. Considerando como configuração básica que os condutores estão localizados nos vértices de um hexágono regular, conforme mostra a Figura 4.10, e a condição para as correntes: Ia +Ib +Ic +Id +Ie +If = 0, pode-se determinar a indutâncias de cada fase. 46 Figura 4.10 - Configuração dos condutores de uma linha hexafásica Considerando a fase a tem-se para o fluxo com ela concatenado: Resulta para a indutância da fase a: De forma semelhante, são determinadas as indutâncias das demais fases. Devido à simetria da configuração as seis indutâncias são iguais. 47 5. CAPACITÂNCIA DE LINHAS DE TRANSMISSÃO A tensão elétrica no condutor de uma linha de transmissão, resultante da sua carga elétrica, produz um campo elétrico radial em torno do condutor, como também um fluxo elétrico. Entre dois pontos do campo elétrico fica estabelecida uma diferença de potencial que é função da carga elétrica. A Figura 5.1 mostra a representação de um condutor isolado, reto e longo, com uma carga elétrica q e o fluxo elétrico uniformemente distribuído em sua superfície, assim como a indicação do caminho de integração para determinação das diferenças de potencial. Figura 5.1 – Campo elétrico de condutor e caminho de integração para os potenciais Campo Elétrico e Diferença de Potencial A densidade de fluxo elétrico D (C/m2), a uma distância x (m) é dada pela expressão: A intensidade de campo elétrico E (V/m) depende da densidade do fluxo elétrica e da permissividade elétrica do meio ε = 8,85x10-12 F/m. Tem-se, portanto: Entre dois pontos no campo elétrico aparece uma diferença de potencial. A capacitância C entre esses pontos é o coeficiente de proporcionalidade entre a carga elétrica e a diferença de potencial entre os pontos, sendo expressa em C/V ou Farad (F). 48 A diferença de potencial entre os pontos 1 e 2 pode ser determinada, portanto, como: A capacitância é dada em F/m por: Capacitância de uma Linha a Dois Condutores Para uma linha a dois condutores pode-se determinar a tensão entre eles em função das cargas envolvidas, sendo uma carga q em um dos condutores e uma carga –q no outro condutor, que é retorno, conforme mostra a Figura 5.2. Figura 5.2 - Linha a dois condutores Tem-se, então: A primeira parcela decorre da carga qa no condutor a e a segunda devido à carga qb no condutor b. Tem-se ainda: 49 Admitindo os raios dos dois condutores iguais, ra = rb = r, resulta para a diferença de potencial: A capacitância entre os condutores a e b será, então: Essa capacitância corresponde a uma capacitância de linha, isto é, entre fases. A capacitância por fase, ou entre cada fase e um ponto neutro n, pode ser determinada utilizando-se da representação conforme a Figura 5.3. Figura 5.3 – Representação das capacitâncias de linha e por fase Tem-se para capacitância de cada fase, ou capacitância para o neutro Cn: Linhas Trifásicas com Espaçamento Equilátero As linhas trifásicas apresentam-se com espaçamentos entre seus condutores em forma equilátera e não equilátera. Para o caso das linhas trifásicas com espaçamento equilátero, conforme mostra Figura 5.4, podem-se determinar as expressões das tensões e das capacitâncias da linha. 50 Figura 5.4 – Configuração equilátera de linhas trifásicas Sendo os raios dos condutores iguais a r, tem-se para as diferenças de potencial entre as fases ab, ac e bc: A tensão Van = Va pode ser obtida a partir das tensões Vab e Vac, utilizando- se do diagrama fasorial das tensões, representado na Figura 5.5. Figura 5.5. - Diagrama fasorial das tensões equilibradas Considerando que qa + qb + qc = 0, tem-se: 51 Resulta para a capacitância da fase a para as linhas trifásicas equiláteras, em F/m: Igualmente são determinadas as tensões e as capacitâncias Cbn e Ccn para as fases b e c, cujos valores são os mesmos, devido à simetria da linha. Tem-se:Na forma matricial a relação entre as tensões e as cargas na linha trifásica com espaçamento equilátero tem a forma V= CQ, isto é: = Linhas Trifásicas com Espaçamento não Equilátero Para o caso das linhas trifásicas com espaçamento não equilátero, ou assimétrico, e considerando que Ia + Ib + Ic = 0, tem-se para cada uma das posições do condutor a devido a transposição, conforme mostra a Figura 5.6. Figura 5.6 - Transposição de uma linha trifásica 52 A tensão média para Vab, no ciclo da transposição, é: Tem-se: O que resulta em: Tem-se que Deq para as linhas trifásicas não simétricas corresponde à distância média geométrica ou espaçamento equivalente, isto é: De forma semelhante pode-se obter Vac e Vbc: A tensão Van=Va pode ser obtida a partir das tensões Vab e Vac, conforme segue, e considerando que qa + qb + qc = 0: Donde se obtém para a capacitância da fase a para as linhas trifásicas, e de forma semelhante às capacitâncias das fases b e c. 53 Resulta, então para a capacitância da fase a para as linhas trifásicas assimétricas: Tem-se, da mesma forma, a determinação das capacitâncias Cbn e Ccn para as fases b e c, cujos valores médios são os mesmos. Tem-se, portanto: Na forma matricial a relação entre as tensões e as cargas na linha trifásica com espaçamento equilátero tem a forma V= C-1Q, isto é: Efeito da Terra sobre a Capacitância O campo elétrico na linha de transmissão considerado anteriormente não levou em conta a influência da terra. No entanto, o campo elétrico em torno dos condutores sofre modificações com essa influência de forma que ele é perpendicular à terra nas suas proximidades. A Figura 5.7 ilustra essa situação numa linha trifásica, representando o efeito da terra pelos efeitos dos condutores imagens, em que as suas cargas são de sinais contrários às dos condutores das fases. 54 Figura 5.7 Representação de uma linha trifásica e seus condutores imagens A diferença de potencial entre as fases a e b é dada por: Através das transposições pode-se determinar o valor médio para Vab. Igualmente podem ser determinadas as tensões Vac e Vbc. A partir de Vab e Vac obtém-se Van. e consequentemente Vn e Cn: Em função das configurações dos condutores nas estruturas das linhas e dos valores alturas e das distâncias entre os condutores e suas imagens a segunda parcela do denominador torna-se desprezível. Tem-se, portanto, o mesmo valor sem considerar a influência da terra, isto é: 55 Cabos Múltiplos As capacitâncias de linhas de transmissão com cabos ou condutores múltiplos podem ser determinadas a partir dos valores calculados para a distância geométrica própria Ds de cada condutor múltiplo e para a distância geométrica mútua Dm entre cada condutor múltiplo e os demais. O cálculo é semelhante ao caso das indutâncias, com a diferença essencial de que a distância geométrica própria de cada subcondutor é o próprio raio do subcondutor, isto é, Ds0=r, e não o raio geométrico médio, como no caso das indutâncias. Sendo r o raio de cada subcondutor e Ds0 = r, a distância geométrica própria correspondente, ou seja, o raio geométrico médio de cada subcondutor, tem-se para a distância geométrica própria Ds dos condutores múltiplos: - 2 subcondutores: - 3 subcondutores: - 4 subcondutores: A distância geométrica mútua Dm entre cada condutor múltiplo e os demais pode ser determinada a partir das distâncias entre cada subcondutor de um condutor e os subcondutor dos demais condutores. Pode também ser calculada considerando cada condutor com o raio igual a Ds tendo o centro no centro geométrico do condutor múltiplo. Por exemplo, para o caso de condutores duplos como da Figura 4.7 em que r = 1 cm (0,01 m), d = 40 cm (0,4 m) e D = 10 m, tem-se: Ds = 6,32 cm (0,0632 m) e Dm = 12,57 m. A capacitância por fase é C = 7,79x10 -12 F/m. Linhas Paralelas As capacitâncias de linhas paralelas podem ser determinadas de forma semelhante ao caso das indutâncias de linhas paralelas. Neste caso das capacitâncias as distâncias geométricas médias próprias consideram os raios dos condutores e não os raios geométricos médios. 56 Na alternativa de se calcular a capacitância das linhas paralelas de forma aproximada, como o paralelo das capacitâncias de cada uma das linhas, a capacitância total é a soma das capacitâncias individuais. Por exemplo, se a capacitância de cada uma de duas linhas A e B em paralelo são CA = CB = 7,8x10-12 F/m a capacitância das duas linhas em paralelo é C =15,6x10-12 F/m . 57 6. CÁLCULO DAS IMPEDÂNCIAS EM LINHAS TRIFÁSICAS Reatância Indutiva e Uso de Tabelas Nas linhas trifásicas, a partir dos valores das indutâncias determinam-se os valores das reatâncias indutivas por fase, conforme segue. Na frequência de 60 Hz tem-se que (em Ω/m): Em Ω/km e Ω/mi tem-se: Ω/km Ω/mi Tem-se ainda que: Ω/mi Para espaçamentos expressos em pés, como é muito usual, a primeira parcela corresponde à reatância indutiva Xa para um pé de espaçamento e a segunda parcela à reatância indutiva Xd devido ao espaçamento equivalente d (pés), sendo chamada de fator de espaçamento indutivo. Tem-se que: Os valores dessas reatâncias, para os diversos condutores, podem ser encontrados em tabelas, em Ω/mi. São encontradas também tabelas com valores em Ω/km. Reatância Capacitiva e Uso de Tabelas Nas linhas trifásicas, a partir dos valores das capacitâncias determinam-se os valores das reatâncias capacitivas, conforme segue. 58 Na frequência de 60 Hz tem-se, em Ω.m: Em Ω.km e Ω.mi tem-se:
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