APOSTILA DE LINHAS DE TRANSMISSÃO

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Função do Sistema de Transmissão
A função de um sistema de transmissão, não é somente ligar uma usina geradora a um centro de consumo para transportar grandes blocos de potência, mas também interligar as estações geradoras e todos os pontos de maior carga do sistema. A energia pode ser conduzida, geralmente, em qualquer direção desejada, nas várias “malhas” do sistema de transmissão, de modo a corresponder as condições de funcionamento mais econômico ou a melhor servir aos objetivos técnicos.
A estrutura da rede de transmissão, normalmente é em anel, pois esta ligação permite uma maior combinação de recursos e, portanto serve melhor aos propósitos do nível de transmissão.
Pode-se dizer que o desenvolvimento de um sistema de transmissão é um processo gradual de crescimento. No projeto de novas redes, devemos sempre tomar como base as previsões de crescimento populacional e industrial para a área. De acordo com as restrições impostas e após terem sido tomadas decisões de natureza econômica e, muitas vezes política sobre a expansão do sistema caberão ao engenheiro de sistema de energia desenvolver projetos viáveis do ponto de vista técnico-econômico e ecológico, baseados nas condições atuais e futuras de configuração e volume de carga.
Histórico
A indústria de energia elétrica é a primeira sob muitos aspectos em muitos paises.
O progresso industrial de um país pode ser medido pelo grau de aproveitamento de suas fontes de energia. O descobrimento dessas fontes na natureza, o transporte da energia de um lugar a outro e a conversão desta energia bruta para formas mais úteis de utilização, são partes essenciais de uma economia industrial. Um sistema de potencia, nada mais é que um dos instrumentos utilizados para conversão e transporte da energia.
O fornecimento de energia elétrica, em bases comerciais, foi constituído inicialmente, por geradores de corrente continua alimentando cargas especificas como iluminação pública, galeria, etc., e logo em seguida para consumidores residenciais.
Contudo surgiram inúmeros problemas com o transporte e a distribuição de energia elétrica, gerada e consumida em corrente contínua. O crescimento dos sistemas e o uso da energia hidráulica eram dificultados devidos aos fenômenos da queda de tensão e das perdas por efeito joule. Eram exigidos condutores de seções maiores tornando inviável novas extensões, sendo necessário construir novas centrais, próximas umas das outras. O grande potencial hidroelétrico não podia ser utilizado devido as grandes distâncias. O problema foi resolvido com a invenção do transformador após o surgimento da corrente alternada. Isso possibilitou a transmissão de energia elétrica a grandes distâncias, pois ele permite elevar a tensão de geração, o que diminui as perdas na Linha, e depois reduzi-la novamente para utilização industrial e doméstica com grande rendimento desde que a energia seja em corrente alternada.
Após a invenção dos motores de indução tiveram ainda maior impulso os sistemas de corrente alternada que foram substituindo gradativamente os de corrente contínua.
A linha de transmissão não pode armazenar energia, logo toda a energia gerada é convertida simultaneamente em carga, exceto as perdas do sistema. A única energia armazenada é a primária (água, carvão, urânio, óleo, etc.). Um sistema elétrico de potência consiste em três componentes principais, as estações geradoras, as linhas de transmissão e os sistemas de distribuição. Um sistema bem projetado abrange um grande número de estações geradoras interligadas de maneira que a energia total gerada possa ser utilizada em toda região coberta pelo sistema.
Uma das funções dos sistemas de potência é prever a demanda futura de energia de tal maneira que centrais geradoras, adequadamente situadas e sistemas de transmissão bem coordenados, flexíveis e eficazes, possam atender a uma determinada região. À medida que o sistema cresce novas fontes de energia devem ser procuradas para satisfazer à crescente demanda assim como novas linhas devem ser construídas.
Objetivos de um Sistema Elétrico de Potência
O objetivo básico de um sistema de energia elétrica é fornecer essa energia às várias cargas existentes numa dada área de serviço.
Quando adequadamente projetado, construído e operado, ele deve atender aos seguintes requisitos:
Deve gerar energia elétrica em quantidades suficientes e se possível nos locais apropriados.
Transmiti-la em grandes quantidades aos centros de cargas.
Deve fornecer energia praticamente em todos os locais exigidos pelo consumidor na forma apropriada.
A carga alimentada necessita de potência ativa e reativa variáveis com o tempo. O sistema deve estar apto a fornecer essa demanda variável.
A energia fornecida deve obedecer a certas condições mínimas, relacionadas com as qualidades quais sejam: freqüência constante, tensão constante, alta confiabilidade.
O sistema deve fornecer energia com custos mínimo, tanto econômico como ecológico.
 
Composição de um Sistema Elétrico de Potência
Um sistema elétrico de potência compreende basicamente de três partes principais: PRODUÇÃO, TRANSPORTE e DISTRIBUIÇÃO.
Produção
A energia elétrica é produzida nas centrais elétricas, também chamadas estações geradoras.
Estas centrais utilizam-se outras formas de energia existente na natureza para obtenção de energia elétrica. Podemos classificá-las em:
Centrais Termelétricas: quando utilizar combustíveis fósseis. (Ex.: óleo, carvão, gás, etc.).
Centrais Nuclelétricas ou Atômicas: quando utilizam à energia do átomo.
Centrais Hidrelétricas: quando utilizam o potencial energético das águas.
Transporte
É feito através das linhas de transmissão, levando grandes blocos de energia; geralmente com tensão elevada e distâncias longas.
Distribuição
É a parte do sistema elétrico que distribui a energia para os consumidores (residenciais ou industriais), em tensões mais baixas que a da transmissão, geralmente 13,8kV e tensão secundária de consumo 110V a 440V. Para consumidores industriais estes níveis chegam até 138kV.
Planejamento
O planejamento da transmissão faz parte do planejamento total de um sistema elétrico e é baseado numa determinada previsão de crescimento do sistema e da carga, sendo o planejamento feito por cada empresa.
Existe um princípio que serve de base para todos os planejadores: Cada empresa é responsável por si para determinar as demandas de seu próprio sistema.
Este é um fato verdadeiro não importando o grau de planejamento em conjunto e coordenação com outras empresas. Além de oito ou dez anos, as projeções são muito duvidosas. Um planejamento firme é limitado em curto prazo. O planejamento depende da experiência do planejador, sua capacidade de julgamento e seu conhecimento do sistema. Cada Linha de Transmissão deve satisfazer tanto as necessidades atuais como atender os objetivos do crescimento do sistema dentro das disponibilidades financeiras da empresa.
Existe uma decisão vital a ser tomada, por exemplo: o dinheiro adicional gasto no presente para atender situações futuras, fica improdutivo até que aquela situação futura se verifique.
Em nosso país, podemos dizer que:
Custo da geração situa-se entre 45 e 55% do custo total.
Custo da distribuição situa-se ente 20 e 25% do custo total.
Custo da transmissão situa-se entre 25 e 3% do custo total.
É evidente que investimentos deste vulto exigem um planejamento pormenorizado e cuidadoso em seus aspectos principais, ou seja, técnico e econômico.
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Abaixo estão relacionadas algumas destas características que afetam o custo:
Tensão de linha.
Carregamento.
Escolha dos parâmetros econômicos (custo energia, custo perdas, juros, etc.).
Número de subcondutores.
Número de circuitos.
Comprimento do vão.
Cabo pára-raios (ligação, peso).
Espaçamento entre fases e entre fase-terra.Isoladores (tipo, número).
Pressão do vento nos condutores.
Tensão nos condutores.
Temperatura admissível.
Tipo de torre.
Fundação.
Montagem.
Aterramento.
Transposição.
Planejamento e Projeto Elétrico de Linhas de Transmissão
Pode-se dizer que o projeto de uma linha de transmissão se desenvolve ao longo das seguintes etapas:
Planejamento em longo prazo.
Planejamento em curto prazo.
Aprovação do projeto.
Análise dos parâmetros principais.
Desempenho da linha e equipamentos associados na subestação.
Construção e energização.
Os cinco primeiros itens podem ser expandidos conforme diagrama abaixo. O diagrama indica tentativamente o encaminhamento seqüencial das principais tarefas envolvidas. Esta seqüência depende da filosofia empregada por cada empresa, da sua organização gerencial e das circunstâncias particulares de cada projeto.
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Características das LT’s
A principal diferença visual entre as Linhas de Transmissão e as Linhas de Distribuição, é que nas primeiras os vãos são relativamente grandes, e não são uniformes, procurando-se tirar o máximo proveito do perfil topográfico. De um modo geral, pode-se afirmar que quanto mais alta a tensão maiores serão as estruturas, como também serão maiores as cadeias de isoladores. Assim, um observador de pouca prática pode facilmente, com um simples exame, indicar a classe de tensão a que pertence uma determinada LT.
Dentro de uma mesma classe de tensão existe uma variedade muito grande de formas de execução das Linhas de Transmissão, podendo variar:
Disposição dos cabos condutores
Quantidade de condutores por fase
Material das estruturas
Tipos de estruturas e suas dimensões relativas
Tipos de condutores
Número de pára-raios
Número de circuitos
Vão entre estruturas
Tipos de isoladores e ferragens
Tensões de Transmissão em uso no Brasil (kV)
A padronização das classes de tensão é de uma conveniência evidente, assim como é inegável também seus benefícios para a implantação de uma política de interligação entre as diferentes regiões e sistemas.
A padronização é também interessante devido à economia que se fazem devido aos acessórios, cabos, subestações e principalmente, na fase de construção onde os equipamentos, ferramentas de montagem, etc., seriam em número menor, sem dizer que a operação e manutenção, teriam não só menos dificuldade em treinar seu pessoal como também a quantidade de material de reposição e reparo, seria menor e menos caro.
No Brasil as classes de tensão de transmissão padronizadas são:
	MD – 13,8; 25; 34,5 kV
	AT – 69; 138; 230 kV
	EAT – 345; 440 (CESP); 500; 600 CC; 750 kV.
E, a nível experimental, ainda em fase de estudos e testes:
	UAT – 1.000; 1.100; 1.200 e 1.500 kV.
Estudos recentes mostraram que a introdução de novos padrões de tensão só se justifica quando a demanda de energia é tal que justifique a duplicação. Assim é que sistemas com linhas de 230 kV, deveriam passar imediatamente a 500 kV, enquanto que sistemas com linhas de 345 kV deveriam passar para 750 kV.
A sobreposição de um sistema de 500 kV ao de 345 kV existentes de acordo com esses estudos, não é aconselhável, pelo menos discutível. Nos sistemas que operam em 500 kV, há indicações para a adoção do nível de 1.000 kV em sobreposição aos mesmos.
Escolha da Tensão
Para a escolha da tensão de transmissão, um critério usualmente empregado em linhas longas é critério de potência natural, que diz existir, para cada tensão, um valor ótimo de potência a ser transmitida e vice-versa, que pode não ser aquela em que as perdas são as menores, porém é a vantajosa sob aspecto global da transmissão, a tensão (V) indicada será:
Essas potências naturais variam com a chamada impedância natural (Zo) da linha. Esta independe do comprimento da linha e depende grandemente da configuração dos condutores.
A escolha da tensão deve ser tal que o custo anual das perdas em função da tensão de transmissão seja o mínimo possível dentro dos padrões técnicos aceitáveis e com um grau de confiabilidade pré-estabelecido.
Valores de Potências Naturais e Tensões Nominais Correspondentes para Linhas de Transmissão – Circuito Simples
Na escolha de uma tensão de transmissão, principalmente de nível maior, é importante considerar as tensões já adotadas nos sistemas vizinhos, tendo sempre em vista os problemas acarretados pelas interligações em tensões diferentes.
Custos Comparativos em Função do Nível de Tensão
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Como mostra o gráfico, a medida que o nível de tensão é aumentado, o custo relativo à perda é diminuído, pois é inversamente proporcional ao quadrado do nível de tensão. Por outro lado, quanto maior, maior será o custo fixo (condutores, isoladores, estruturas, construção, etc.), portanto o custo total da transmissão será obviamente caracterizado por um mínimo, que ocorre numa dada tensão, o “nível econômico de tensão”. Antes de escolher essa tensão deve-se verificar se ela corresponde a uma capacidade de transmissão suficiente. Para isso podemos verificar no gráfico seguinte (capacidade de transferência x km de linha), que teremos então a quantidade de linhas necessária para transportar uma determinada potência por uma distância conhecida.
Capacidade de Transferência
Capacidade de transferência é a quantidade de energia que uma LT pode transportar por uma determinada distância sem a queda de tensão ultrapasse o limite permitido pelo equipamento das subestações (no caso CEEE a maioria dos transformadores pode trabalhar com comutadores de até ± 10% da tensão nominal).
Então, para manter a queda de tensão num máximo de 10% deve ser diminuída a potência injetada na LT.
A queda de tensão é diretamente proporcional ao comprimento, pois a resistência do condutor aumenta de acordo com o aumento de seu comprimento.
O gráfico abaixo e o da página seguinte mostram uma comparação das capacidades de transferência dos circuitos de EAT e AT respectivamente (sem compensação de reativos).
Comparação das Capacidades de Transferência dos Circuitos Extra Alta Tensão
(Sem Compensação Série)
 
Exemplo:
A transferência de 300MW para uma distância de 150 km requer quantos circuitos de: 69, 138 e 230kV?
69kV		12MW p/ 150 km logo:
Cabo 477MCM	300/12 = 25 circuitos
138kV		32MW p/ 150 km logo:
Cabo 477MCM	300/32 = aprox. 9 circuitos
230kV		84MW p/ 150 km logo:
Cabo 636MCM	300/84 = aprox. 4 circuitos
Donde concluímos que, para a transferência de 300MW para uma distância de 150 km, seriam necessários 25 circuitos de 69kV ou 9 circuitos de 138kV ou 4 circuitos de 230kV.
Custos Comparativos das LT’s para Valores Unitários Conforme Abaixo:
Estruturas em aço
	TENSÃO (kV)
	CUSTOS DE LT’s/km (US x 103)
	CUSTOS DE SE’s (US)
MÓDULO DE LINHA
	
	CIRCUITO SIMPLES
	CICUITO DUPLO
	
	69 CABO HEN 1x477 MCM
	61
	82,5
	328.000
	138 CABO HEN 1x477 MCM
	74,5
	111
	825.000
	230 CABO GROSBREAK 1x636 MCM
	134
	160,5
	1.298.000
	345 CABO RAIL 2x954 MCM
	167
	276,5
	2.600.000
	440 CABO RAIL 3x954 MCM
	224
	-
	5.213.000
	500 CABO GROSBREAK 4x636 MCM
	252,5
	-
	5.440.000
	750 CABO BLUEJAY 4x1113 MCM
	346
	-
	7.806.000
Podemos notar que para o transporte de 300MW para a distância de 150 km, com estruturas de aço circuito simples e o cabo indicado, se o transporte fosse realizado em 69kV, seus 25 circuitos custariam 150 km x 61,0x103 x 25 = 228.750x103 mais 50 módulos de linha nas SE’s 328 x 50 = 16.400, um total de US$ 245.150,00x103, se fosse em 138kV, seus 9 circuitos custariam 150 km x 74,5x103 x 9 = 100.575x103 mais 18 módulos de linha nas SE’s 825 x 18 = 14.850x103 num total de US$ 115.425,00x103, se fosse em 230kV, seus 4 circuitos custariam 150 km x 134 x 4 = 80.400 mais 8 módulos de linha nas SE’s 1.290 x 8 = 10.320, num total de US$ 90.720x103.�
Características das LT’s
Muito embora o cobre tenha quase o dobro da condutividade do alumínio ele não é utilizado em linhas de transmissão, pois o alumínio é mais leve, mais barato e apresenta ainda outra vantagem que é ter o diâmetro maior, o que acarreta menor probabilidade de ocorrência do efeito corona.
Exemplo:	Para podermos comparar, admitamos que os condutores possuem as mesmas resistências e estejam submetidos a mesma tensão (observe o número igual de linhas de fluxo elétrico).
FIG. 6.9
As proximidades das linhas de fluxo na superfície do condutor permitem maior probabilidade de ocorrência de efeito corona, que é um sério problema na tecnologia de E.A.T.. Ele é causado pela ionização da atmosfera quando é alcançada uma determinada intensidade de campo (aproximadamente 1.600kV/m ou 16kV/cm – alguns falam em 30kV/cm). O efeito corona está associado com a perda de energia e, além disso, causará interferência nas comunicações. Para tensões superiores a 230kV não é, de fato, possível usar um único condutor circular. Ao invés de usar um condutor apenas, é mais fácil utilizar um feixe de dois, três ou quatro condutores, por fase, espaçados cerca de 45 cm, entre si. (FIG. 6.10).
Para as bitolas em uso (até cerca de 700 mm²), não é prático utilizar condutores sólidos. O mais comum é o cabo de alumínio com alma de aço (ACSR), que consiste num núcleo (ou alma) de fios de aço encordoados, responsável pela resistência mecânica, envolvido por coroas de fios de alumínio superpostas, encordoadas em sentidos opostos. Esse encordoamento evita que o cabo desenrole. A disposição em coroas torna flexíveis até mesmo cabos de grande secção transversal. O número de fios depende do número de coroas e do fato de serem ou não todos eles do mesmo diâmetro. O número total de fios em cabos concêntricos nos quais todo espaço é preenchido por fios de diâmetro uniforme é dado pela expressão:
Número de fios (N) = 3n² + 3n + 1, onde N é o número de coroas não incluindo a central, constituído por um único fio condutor.
FIG. 6.10
Planejamento do Sistema
Avaliação Técnico-Econômica com estudos de Fluxo de Potência – Estabilidade e Curto-Circuito
Especificação Preliminar de linhas e Equipamentos
Detalhamento
Análise do Impacto Ambiental RA, RI, TVI e Campo Elétrico.
Projeto da Subestação Isolamentos e Especificação dos Equipamentos
Determinação Preliminar da Rota das Linhas e localização de Subestações
Rota Final
Determinação das Solicitações impostas às Linhas e Equipamentos
Dados Meteorológicos necessários ao Desempenho mecânico, Corona e Isolamentos.
Projeto Preliminar de Linhas e Subestações
Coordenação de Isolamento da Linha (Surto de manobra, Descarga Atmosférica e 60Hz).
Desempenho Corona (RI, TVI, AN).
Projeto Mecânico
Avaliação do Projeto da Linha e Subestação com relação aos dados preliminares utilizados no planejamento
Construção e Energização
Avaliação e Desempenho
Planejamento em Longo Prazo
1.
3.
2.
Planejamento em Curto Prazo
Aprovação do Projeto
Parâmetros Preliminares
4.
Análise dos Parâmetros Principais
5.
Desempenho da Linha e Equipamentos Associados
6.
Otimização Global
Torre
Condutor
Impacto da linha na Subestação e Equipamentos Terminais
Compensação Reativa
Estabilidade
Carregamento
Rotas
Transposição
Proteção da Linha
Carrier
Medições no Meio Ambiente
Parâmetros Elétricos
Isolamento para Surtos de Manobra
Isolamento para Descargas Atmosféricas
Isolamento considerando Contaminação
Campo Elétrico ao Nível do Solo
Indução Magnética
Rádio e TV Interferência
Perdas Corona
Projeto Cabos Pára-Raios
Isolamento
Corona
Campo Elétrico
CUSTO TOTAL
CUSTOS FIXOS
CUSTO DE TRANSMISSÃO
NÍVEL DE TENSÃO
NÍVEL ECONÔMICO DE TENSÃO
CUSTO RELATIVO À PERDA DE ENERGIA
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Plan1
		
				CONFIGURAÇÃO DE FASE		ZO 0 km		POTÊNCIAS NATURAIS EM MW
								33 kV		66 kV		88 kV		138 kV		230 kV		345 kV		400 kV		500 kV		750 kV
						400		3		11		19		48		130		300		400		-		-
						320		-		-		24		60		165		370		500		780		-
						280		-		-		-		-		185		425		570		890		1,750
						240		-		-		-		-		220		500		670		1,040		2,000