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3. Elementos de Sistemas Elétricos de Potência 3.1.3 Indutância e Reatância Indutiva das Linhas Sistemas Elétricos de Potência 3.1.3 Indutância e Reatância Indutiva das Linhas de Transmissão Professor: Dr. Raphael Augusto de Souza Benedito E-mail:raphaelbenedito@utfpr.edu.br disponível em: http://paginapessoal.utfpr.edu.br/raphaelbenedito 1 - Introdução; - Indutância causada por um Condutor até um Condutor de raio ínfimo a uma distância D; - Indutância de uma Linha a dois fios (bifilar); - Indutância de uma Linha Trifásica; Conteúdo - Indutância de uma Linha Trifásica; - Indutância de uma Linha Trifásica com arranjo equilátero de Condutores; - Transposição de Condutores; - Múltiplos Condutores por fase e Raio Médio Geométrico (RMG); - Reatância Indutiva 2 • A indutância, assim como a resistência ôhmica, é um dos parâmetros que mais afetam a capacidade de transporte de energia em linhas de transmissão. • A corrente elétrica que flui através de um condutor de uma linha produz um campo magnético e um fluxo magnético Introdução linha produz um campo magnético e um fluxo magnético associado a este campo. • Por sua vez, a intensidade do fluxo magnético depende de alguns fatores: – do valor da corrente elétrica; – da geometria e distribuição espacial do condutor; – do meio no qual o condutor está inserido. sdjldH s rrrr ⋅=⋅ ∫∫γ Lei de Ampère 3 • Por outro lado, a variação de fluxo magnético que concatena (fluxo concatenado) o circuito (espira) induz uma tensão elétrica. Pela lei de Faraday: Introdução )(V dt d e c φ = onde ϕc é o fluxo concatenado em Webers-espiras (Wb-e).onde ϕc é o fluxo concatenado em Webers-espiras (Wb-e). • Considerando que o meio onde se estabelece o campo magnético tenha permeabilidade constante, temos uma relação linear entre ϕc e corrente elétrica, logo: sendo L a indutância, também chamada indutância própria )(H idi d L cc φφ == )(V dt di L dt d e c == φ 4 • Além da indutância própria, existirá a indutância mútua quando existe mais que um circuito. A indutância mútua entre dois circuitos, por exemplo, é definida como a relação entre o fluxo concatenado com um circuito (devido à corrente no outro circuito) pela corrente. Introdução • Se uma corrente i2 produz num circuito 1 o fluxo concatenado ϕ12, a indutância mútua será: )( 2 12 1212 H i LM C φ == 5 • Considere um condutor cilíndrico de raio “r”, conduzindo corrente i, e que está a uma distância “D” de um condutor de raio ínfimo “P” (com i=0). Indutância causada por um Condutor até um Condutor de raio ínfimo a uma distância D • Para calcularmos a indutância total causada pelo condutor até “P”, devemos considerar duas parcelas: - a indutância devido ao fluxo interno; - a indutância devido ao fluxo externo ao condutor Figura : Condutor de raio r e condutor de raio ínfimo sem carga 6 Cálculo da indutância interna (Lint): • Considerando a corrente uniforme dentro do condutor, e aplicando a lei de Ampère para uma distância “x”, sendo 0< x ≤ r, podemos calcular a intensidade do campo magnético (Hx) devido à parcela Ix : Indutância causada por um Condutor até um Condutor de raio ínfimo a uma distância D parcela da corrente devido ao raio “x” em relação ao raio “r” densidade de corrente no interior do condutor m Aei r x H x r i xH IAdjsdH x x xAx ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ =⋅⋅ =⋅=⋅ ∫∫ 2 2 2 2 2 π π π π rrrr 7 Cálculo da indutância interna (Lint): Indutância causada por um Condutor até um Condutor de raio ínfimo a uma distância D A partir da intensidade de campo magnético (H), calcula-se a densidade de campo 222 m Wbi r x B HB x xx ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅= π µ µ 222 mr x ⋅π onde µ é a permeabilidade magnética do meio (µ = µr µo). Observe que Bx é a densidade de campo magnético calculada a uma distância “x” do centro do condutor. • Aproveitando o resultado acima, vamos calcular o fluxo magnético considerando uma espessura dx, conhecido como fluxo incremental. Assim o fluxo incremental dϕ (ou dB) será Bx vezes a área da seção transversal do elemento, que neste caso é (L dx), sendo L o comprimento do condutor. 8 Cálculo da indutância interna (Lint): Indutância causada por um Condutor até um Condutor de raio ínfimo a uma distância D Logo, para 1 metro de comprimento do condutor temos a seguinte expressão para fluxo incremental (dϕ): m Wbd r ix d dLBd x xx ⋅ ⋅ ⋅⋅ = ⋅⋅= 22π µ φ φ • Já o fluxo incremental concatenado (dϕc), corresponderá a uma parcela de dϕ, pois o fluxo incremental dϕ se concatena (enlaça) apenas com uma fração da corrente i. Logo: m d r d x⋅ ⋅ = 22π φ m Wbedxi r x d dxi r x r x d d r x d A A d c c r x c ⋅⋅ ⋅ ⋅ = ⋅⋅ ⋅ ⋅= ⋅ ⋅ ⋅ =⋅= 4 3 22 2 2 2 2 2 π µ φ π µ φ φ π π φφ 9 Cálculo da indutância interna (Lint): Indutância causada por um Condutor até um Condutor de raio ínfimo a uma distância D A partir da integral da equação anterior para um intervalo de (0, r), obtemos o fluxo concatenado interno: dxi r x r r c π µ φ 2 0 4 3 ⋅⋅ ⋅ ⋅ = ∫ m Wbei r ri x r i dxx r i c r r c π µ π µ φ π µ π µ φ 88 )( 422 4 4 0 4 40 3 4 ⋅ = ⋅ ⋅⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =⋅ ⋅ ⋅ = ∫ Como ϕc = L i ,temos que m HL π µ 8 int = 10 Cálculo da indutância interna (Lint): Indutância causada por um Condutor até um Condutor de raio ínfimo a uma distância D Considerando , obtemos: 7 104 − ⋅== πµµ o m HL 7 7 int 10 2 1 8 104 − − ⋅= ⋅ = π π • Obs.: a expressão acima é a equação para cálculo da indutância por unidade de comprimento devido ao fluxo magnético interno ao condutor. 11 Cálculo da indutância externa (Lext): • Para o condutor de raio ínfimo “P”(i=0) afastado “D” metros do centro do condutor de raio “r”, com D >> r, a intensidade e a densidade do campo magnético externa ao condutor de raio “r” podem ser calculados por : Indutância causada por um Condutor até um Condutor de raio ínfimo a uma distância D m Ae x i H ⋅ = π2 2 2 m Wb x i HB ⋅ ⋅ =⋅= π µ µ 12 Cálculo da indutância externa (Lext): • Diferentemente da situação anterior, neste caso o fluxo incremental concatenado (dϕc), externo ao condutor de raio “r”, será igual ao fluxo incremental (dϕ). Isto porque o fluxo externo ao condutor concatena toda a corrente do condutor uma vez. Logo: Indutância causada por um Condutor até um Condutor de raio ínfimo a uma distância D m Wbedx x i dxBdd c ⋅ ⋅ =⋅== π µ φφ 2 mx⋅π2 • Por conseqüência, o fluxo concatenado externo, entre o condutor de raio “r” e “P”, pode ser calculado através da seguinte integral: m Wbe r Di rD i x i dx xx i dxi x c D rc D r D rcext ⋅ = − ⋅ = ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =⋅⋅ ⋅ ⋅ = ∫∫ ln 2 ]ln[ln 2 ln 2 1 22 π µ φ π µ π µ φ π µ π µ φ 13 Cálculo da indutância externa (Lext): Como ϕc = L i ,temos que Indutância causada por um Condutor até um Condutor de raio ínfimo a uma distância D m H r D Lext = ln 2π µ Considerando , podemos escrever: 7104 −⋅== πµµ o m H r D Lext ⋅= − ln102 7 14 Indutância causada por um Condutor até um Condutor de raio ínfimo a uma distância D Indutância Total r De r D eL r D r D L LLL ext ⋅ = += += += += ln 2 lnln 2 ln 4 1 2 ln 28 4/1 4/1 int π µ π µ π µ π µ π µ m H r D er D L = ⋅ = − ' ln 2 ln 2 4/1 π µ π µ O termo é chamado de raio reduzido de “r” (ou RMG), e representa a parcela do fluxo concatenado pelo próprio condutor de raio “r”. Assim, de modo geral: m H r D L ' ln 2π µ = ou m H r D L ⋅= − ' ln102 7 7788,0' 4/1 ⋅=⋅= − rerr 15 • Considere um condutor cilíndrico de raio “r1” e outro condutor de raio “r2” (retorno), que estão distantes entre si em “D” metros, e que i2 = - i1. Indutância de uma linha a dois fios (bifilar) • Como a corrente do condutor 2 (i2) tem o sentido oposto à corrente i1, o fluxoconcatenado por ela produzido envolve o circuito com o mesmo sentido do fluxo produzido pela corrente i1. • Logo, o fluxo resultante é a soma dos fluxos dos dois condutores e, como conseqüência, a indutância total do circuito será: Figura: Condutores de raios distintos 21 LLL += 16 Através de resultados anteriores, temos: Indutância de uma linha a dois fios (bifilar) rr D rr D L r D r D L LLL 21 2 21 2 21 21 )''( ln )''( ln 2 ' ln 2' ln 2 ⋅ = ⋅ == + == += π µ π µ π µ π µ Se , teremos: m H rr D L 21 '' ln ⋅ = π µ Considerando , podemos escrever: 7104 −⋅== πµµ o ''' 12 rrr == m H r D L ' ln π µ = m H r D L ' ln104 7−⋅= 17 Exercício 1) Em uma fazenda, um condutor cilíndrico de alumínio (unifilar) com retorno pelo solo e tensão de 127 Volts eficazes, fornece energia elétrica para iluminação de um galpão que está a 500 metros de distância da sede da fazenda. Considerando que o raio deste condutor é de 1,5 cm e que a distância entre o condutor e o solo seja de 3 metros de altura, calcule: a) a indutância para um metro deste condutor até o solo; b) a indutância total causada por este condutor até o solo, considerando a distância total entre a sede e o galpão.até o solo, considerando a distância total entre a sede e o galpão. 7 104 −⋅== πµµ o 7788,0' 4/1 ⋅=⋅= − rerr 18 • Considere 3 condutores retilíneos, paralelos e de raios distintos, que constituem uma linha trifásica onde . Considere também um ponto P (ou condutor de raio ínfimo) afastado desses condutores conforme a figura abaixo: Indutância de uma linha trifásica com espaçamento assimétrico 0321 =++ III &&& Figura: Condutores de uma Linha Trifásica distantes de um ponto P 19 Indutância de uma linha trifásica com espaçamento assimétrico ⋅ = 3 2 1 333231 232221 131211 2 2 1 I I I LLL LLL LLL PC PC PC & & & φ φ φ • Nosso objetivo é calcular a matriz de indutância trifásica: • Inicialmente, calcularemos o fluxo concatenado total entre P e o condutor 1. Entretanto, tal fluxo é composto de três parcelas: - A parcela do fluxo concatenado devido à corrente I1 ; - A parcela do fluxo concatenado devido à corrente I2 ; - A parcela do fluxo concatenado devido à corrente I3 . 321 1111 III PCPCPCPC φφφφ ++= 20 Indutância de uma linha trifásica com espaçamento assimétrico • O fluxo concatenado em P com o condutor 1, devido à corrente I1, pode ser calculado como: m WbeI r D P PC I 1 1 1 1 ' ln 21 &⋅= π µ φ • Já o fluxo concatenado em P com o condutor 1, devido à corrente I2, pode ser expresso por: WbeD &µ m WbeI D D P PC I 2 12 2 1 ln 22 &⋅= π µ φ m WbeI D D P PC I 3 13 3 1 ln 23 &⋅= π µ φ • De modo análogo, temos o fluxo concatenado em P com o condutor 1, devido à corrente I3: 21 Indutância de uma linha trifásica com espaçamento assimétrico • A partir das três equações anteriores, o fluxo concatenado total em P com o condutor 1 é: A expressão acima ainda pode ser escrita da seguinte forma: m WbeI D D I D D I r D PPP PC PCPCPCPC III ⋅+⋅+⋅= ++= 3 13 3 2 12 2 1 1 1 1 1111 lnln ' ln 2 321 &&& π µ φ φφφφ A expressão acima ainda pode ser escrita da seguinte forma: m WbeIDIDIDI D I D I r PPPPC ⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅= 3322113 13 2 12 1 1 1 lnlnln 1 ln 1 ln ' 1 ln 2 &&&&&& π µ φ como a soma fasorial das três correntes é igual a zero, temos e a parcela X pode ser reescrita como a seguir: 321 III &&& −−= ( ) 3 1 3 2 1 2 33223121 3322321 lnln lnlnlnln lnlnln I D D I D D X IDIDIDIDX IDIDIIDX P P P P PPPP PPP && &&&& &&&& ⋅+⋅= ⋅+⋅+⋅−⋅−= ⋅+⋅+−−⋅= X 22 Indutância de uma linha trifásica com espaçamento assimétrico Fazendo , as parcelas e tenderão para 1, e os logaritmos respectivos se anulam. Assim, a parcela X será nula e o fluxo concatenado no condutor 1 torna-se: ∞→P P P D D 1 2 P P D D 1 3 m WbeI D I D I r PC ⋅+⋅+⋅= 3 13 2 12 1 1 1 1 ln 1 ln ' 1 ln 2 &&& π µ φ • Utilizando o mesmo raciocínio, podemos calcular os fluxos concatenados• Utilizando o mesmo raciocínio, podemos calcular os fluxos concatenados com os condutores 2 e 3, respectivamente por: m WbeI D I r I D PC ⋅+⋅+⋅= 3 23 2 2 1 12 2 1 ln ' 1 ln 1 ln 2 &&& π µ φ m WbeI r I D I D PC ⋅+⋅+⋅= 3 3 2 23 1 13 3 ' 1 ln 1 ln 1 ln 2 &&& π µ φ 23 Indutância de uma linha trifásica com espaçamento assimétrico • Matriz de indutância trifásica da linha de transmissão (desprezando efeito do solo): ⋅ = 3 2 1 23212 13121 2 2 1 ' 1 ln 1 ln 1 ln 1 ln ' 1 ln 1 ln 1 ln 1 ln ' 1 ln 2 I I I rDD DrD DDr C C C & & & π µ φ φ φ • Outra forma de representar a equação matricial acima pode ser obtida utilizando-se a hipótese inicial de que . Assim, eliminando I3 da primeira e da segunda equação, e eliminando I1 da terceira equação, temos: 32313 'rDD 0321 =++ III &&& ⋅ = 3 2 1 3 13 23 13 2 23 12 23 12 13 1 13 2 2 1 ' lnln0 0 ' lnln 0ln ' ln 2 I I I r D D D r D D D D D r D C C C & & & π µ φ φ φ 24 Indutância de uma linha trifásica com arranjo equilátero de condutores • Considere um arranjo equilátero entre os condutores, assim como ilustrado através da figura a seguir: Inspecionando-se a última equação apresentada anteriormente e substituindo , obtemos a seguinte simplificação: Figura: Linha trifásica com arranjo equilátero DDDD === 231312 ⋅ = 3 2 1 2 2 1 ' ln00 0 ' ln0 00 ' ln 2 I I I r D r D r D C C C & & & π µ φ φ φ 25 Indutância de uma linha trifásica com arranjo equilátero de condutores • Considere um arranjo equilátero entre os condutores, assim como ilustrado através da figura a seguir: Concluímos que a disposição equilátera dos condutores elimina (ou minimiza) a indutância mútua causada pelos condutores quando Figura: Linha trifásica com arranjo equilátero 0321 =++ III &&& 26 Transposição de Condutores • A transposição dos condutores pode ser aplicada a qualquer tipo de arranjo e serve como uma transformação da linha original em uma linha equilátera equivalente (minimizando ou eliminando as indutâncias mútuas). • A transposição é realizada conforme mostrado na figura a seguir: 27 Transposição de Condutores Considerando os raios iguais para os três condutores (r), obtemos a seguinte expressão matricial simplificada: ⋅ = 3 2 1 2 2 1 ln00 0 ' ln0 00 ' ln 2 I I I D r D r D eq eq eq C C C & & & π µ φ φ φ ' ln00 r sendo que Deq é a Distância Média Geométrica entre os condutores (de fases distintas), e calculada neste caso (3 condutores) como: 3 132312 DDDDeq ⋅⋅= Observe que Deq é o espaçamento equilátero equivalente das três distâncias, causado pela transposição dos três condutores. 28 Múltiplos condutores por fase e Raio Médio Geométrico (RMG) Raio Médio Geométrico de um Cabo • Usualmente, cada condutor elétrico utilizado em transmissão de energia elétrica é composto por um conjunto de subcondutores, formando assim um cabo encordoado ou um feixe. ( ) ( ) ( )2 '......'...' 112122211121n nnnnnneqs rDDDDrDDDrrD ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅== − No caso de cabos ou feixes, o raio equivalente considerando o conjunto de subcondutores é expresso pela Distância Média Geométrica Própria (DS), também chamada de Raio Médio Geométrico (RMG). Podendo ser calculada através de: 29 Múltiplos condutores por fase e Raio Médio Geométrico (RMG) Raio Médio Geométricode Cabos Múltiplos • Em sistemas elétricos cujas tensões são maiores que 230kV (EAT) é usual a utilização de cabos (ou condutores) múltiplos por fase. Isto é feito, principalmente, para diminuir o gradiente de potencial elétrico nos condutores, e assim, evitar ou minimizar a ocorrência do Efeito Corona. • Além disso, a utilização de cabos múltiplos reduz a indutância por fase e total da linha, já que o raio reduzido formado pelo grupo de condutores múltiplos (chamado de Raio Médio Geométrico de cabos múltiplos - Ds CM) aumenta. Em situações práticas, os cabos múltiplos apresentam sempre condutores iguais, espaçados uniformemente, circunscritos em um círculo (o que facilita os cálculos do raio equivalente, que é feito conforme a última equação mostrada no slide anterior). Veja a seguir: 30 Múltiplos condutores por fase e Raio Médio Geométrico (RMG) Raio Médio Geométrico de Cabos Múltiplos Fig.: Casos mais comuns de cabos múltiplos por fase Considerando Ds como raio médio geométrico de um cabo (ou raio reduzido de um cabo), e Ds CM como o raio médio geométrico de cabos múltiplos (ou raio reduzido de cabos múltiplos), temos: - p/ dois cabos por fase: => - p/ três cabos por fase: => - p/ quatro cabos por fase: => ( ) 22 2 2 dDdDD SS CM S ⋅=⋅= ( ) 3 23 3 2 dDddDD SS CM S ⋅=⋅⋅= ( ) 4 34 4 09,122 dDdddDD SSCMS ⋅⋅=⋅⋅⋅⋅= 31 Múltiplos condutores por fase e Raio Médio Geométrico (RMG) Raio Médio Geométrico de Cabos Múltiplos Observação importante: • A partir do valor de Ds CM , devemos substituir este valor no lugar de r’ (raio reduzido) nas equações anteriores de fluxo concatenado e indutância, onde considerávamos a existência de apenas um condutorindutância, onde considerávamos a existência de apenas um condutor por fase. • Já para o cálculo das distâncias entre fases, devemos adotar as distâncias entre os centros dos cabos múltiplos. 32 Expressão Geral de Indutância por Fase (resumo) • A expressão geral para cálculo da indutância por fase em circuitos trifásicos com transposição de condutores é: )(ln 2 m H D D L s eq ⋅= π µ sendo: a distância média geométrica entre as três fases; raio médio geométrico de um cabo ou raio reduzido de um 3 cabcabeq DDDD ⋅⋅= raio médio geométrico de um cabo ou raio reduzido de um condutor, considerando também o efeito pelicular (geralmente é fornecido pelo fabricante do condutor); RMGDs = • Para cabos múltiplos por fase, temos: )(ln 2 m H D D L CM S eq ⋅= π µ sendo Ds CM o raio médio geométrico de cabos múltiplos e calculado como mostrado anteriormente. 33 Reatância Indutiva • A reatância indutiva (XL) por fase da linha de transmissão corresponde à parte imaginária da impedância complexa em série (Z) da linha, e depende do valor da freqüência (f) e da indutância (L), sendo calculada por: )(2 m LfLX L Ω⋅⋅=⋅= πω • O resultado da reatância acima pode ser utilizado em sua forma• O resultado da reatância acima pode ser utilizado em sua forma matricial, desde que L seja a matriz de indutância trifásica. • Observe que a parcela real da impedância complexa em série da linha é dada pela resistência por fase associada ao condutor (ou aos cabos múltiplos), assim podemos escrever a impedância de uma fase da linha como: )( m XjRZ L Ω⋅+= 34 [1] MONTICELLI, A. J.; GARCIA, A. Introdução a Sistemas de Energia Elétrica. Editora UNICAMP, 1ª. Edição, Campinas, 2003. [2] STEVENSON, W. D. Elementos de Análise de Sistemas de Potência. 2ª ed. Editora MacGraw-Hill do Brasil. São Paulo.1986. [3] FUCHS, RUBENS DARIO. Transmissão de Energia Elétrica: Referências Bibliográficas [3] FUCHS, RUBENS DARIO. Transmissão de Energia Elétrica: linhas aéreas; teoria das linhas em regime permanente. 2ª. Edição; Editora Livros Técnicos e Científicos, Rio de janeiro, 1979. [4] ZANETTA Jr., LUIZ CERA. Fundamentos de Sistemas Elétricos de Potência. 1ª. Edição; Editora Livraria da Física, São Paulo, 2005. 35 Transposição de Linhas Colaborador: Alain Toyama Figura 1 – transposição Fonte: wikimedia (2013). Figura 2 – transposição modificado Fonte: wikimedia (2013). Figura 3 – transposição de média tensão Fonte: Myinsulators (2013). Figura 4 – transposição de média tensão Fonte: BUTLER (2013). Figura 5 – transposição na federação russa - Рондоль Fonte: Panoramio (2010). Referências: • Panoramio. Disponível em: <http://www.panoramio.com/photo_explorer#view=photo&position=218 &with_photo_id=34990768&order=date_desc&user=4043981>. Acesso em: 16 fev.2013. • Wikimedia. Disponível em: <http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d9/Facility4508_Pylo n206.JPG>. Acesso em: 16 fev.2013. • BUTLER, Lloyd. The transmission section of the postmaster generals department in adelaide. Mar. 2011. Disponível em: <http://users.tpg.com.au/users/ldbutler/TranSectPMG.htm>. Acesso em: 17 fev.2013. • Interference Between Power and Telecom Lines. Disponível em: <http://www.myinsulators.com/acw/bookref/interference/index.html>. Acesso em: 17 fev.2013.
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