Nas linhas de transmissão de potência elevada as estruturas dos feixes das torres de transmissão são modificadas, com o objetivo de aumentar o limite de estabilidade de potência, e procurando atingir o limite térmico (Figura 2).
Figura 2 – Limite de estabilidade comparado com o limite térmico. (Figura original disponível em (NAYAK et al., 2005))
2.1.1.
História das LPNEs
Vários estudos referentes ao tema da capacidade de transmissão foram feitos ao longo da história, porém poucos deles foram desenvolvidos utilizando geometrias de torres com feixes não convencionais.
Historicamente, (THOMAS, 1909) foi o precursor na utilização dos condutores em feixes para incrementar a capacidade de transmissão das linhas, tendo verificado que com o aumento do número de sub-condutores a capacitância das linhas era incrementada, enquanto que a sua indutância era diminuída. No entanto, os custos de manutenção tornavam-se mais elevados, razão pela qual a ideia foi abandonada por vários anos.
Os estudos sobre condutores em feixes foram retomados por pesquisadores como (DWIGHT; FARMER, 1932), que estudaram as diferenças de transmitir com um ou dois condutores. Parâmetros como a resistência, capacitância, reatância, efeito corona e aquecimento nos condutores foram analisados. No mesmo ano (CLARKE,1932) estudou o rendimento das linhas de transmissão, idealmente transpostas, operando na frequência fundamental de 60 Hz, com arranjos desde 2 até 5 condutores por feixe.
Nos meados da década de 60 foram desenvolvidos os trabalhos bibliográficos de (ABETTI, 1958) e (SANDELL et al., 1963), no qual são mencionados os principais pesquisadores e temas que finalmente permitiram o uso extensivo dos condutores em feixe, que apresentam uma separação típica de 0,4572 m para as normas americanas e 0,40 m para as normas europeias.
Vários anos depois pesquisas focadas no tema da capacidade de transmissão de energia foram feitas pelos pesquisadores russos (ALEXANDROV et al., 1988), no qual verificou-se que o SIL era incrementado ao aumentar o número de condutores por fase; e que embora fosse um bom método, apresentava-se uma limitante na quantidade de sub-condutores, pois o espaçamento entre fases tornava-se maior. Continuando com o seu trabalho (ALEXANDROV; PODPORKYN, 1991), e procurando diminuir as perdas de potência por condução, assim como a queda de tensão nas linhas, foi proposto reduzir o espaçamento das fases e usar arranjos de condutores em vez de um condutor simples, seguindo uma metodologia de projeto, em que se tem como limitante a geração do efeito corona nos condutores. Desta forma a ampliação da capacidade de transmissão fica condicionada ao número de condutores e ao seu campo elétrico superficial máximo.
Usando os conceitos apresentados pelos pesquisadores russos, o autor (SALARI, 1993) otimiza as linhas de transmissão, procurando manter um equilíbrio da distribuição de corrente e carga nos sub-condutores, respeitando as restrições de campos elétrico e magnético máximos. No seu trabalho, embora seja mencionada a importância da avaliação econômica das configurações dos condutores, não é realizado um estudo econômico, mas é proposto como um trabalho futuro.
Outro pesquisador que muito produziu neste tema foi (PORTELA; GOMES, 1998), quem ao longo de suas publicações estabelece fatos importantes como necessidade de realizar uma análise iterativa mediante sub-otimizações dos feixes para finalmente conseguir uma otimização global. Além disto, nas suas pesquisas apresentava diferentes geometrias, tais como elípticas, retangulares, entre outras.
Recentemente (MACIEL, 2013) apresenta uma pesquisa da maximização da capacidade de transmissão, baseada em técnicas de otimização clássica, procurando manter nos condutores um balanço de carga e do campo elétrico superficial. Geometrias bem diferentes das convencionais são apresentadas por ele, no entanto, como na maioria dos outros trabalhos, nenhum cálculo mecânico ou econômico foi feito.
2.1.2.
Geometrias Não Convencionais
Para conseguir uma mudança nos parâmetros internos das linhas e finalmente na capacidade de transmissão, é preciso modificar a estrutura dos condutores nos feixes (Figura 31). Quando é produzida uma mudança na estrutura da torre as características
de capacitância e indutância mútuas mudam pelos acoplamentos existentes entre os cabos. A capacidade de transmissão utilizando diferentes arranjos pode ser aumentada significativamente (NAYAK et al., 2005), apresentando uma possibilidade de pesquisa envolvendo a otimização da geometria dos feixes.
Figura 3 – Esboço de uma estrutura de torre de transmissão não convencional.
2.1.3.
LPNE versus Estruturas Convencionais
Estudos realizados por (MACIEL, 2013) no tema de linhas de transmissão não convencionais mostram que utilizar arranjos não convencionais, com nsc sub-condutores, representa uma alternativa para incrementar o limite de potência da linha. Com modificações relativamente simples o limite pode aumentar gradualmente (Tabela 1).
Tabela 1 – Linha convencional vs Linha não convencional de 500 kV.
Religamento não homopolar Tipo de Linha
Convencional Não Convencional
R1[Ω/km] 0,0154 0,0155
X1[Ω/km] 0,670 0,2294
Y1[µS/km] 6,18 7,283
Potência característica (MW) 1199,83 1407,03
No trabalho desenvolvido por (SALARI, 1993), segundo as otimizações feitas na sua pesquisa para outros níveis de tensão, a potência característica típica das linhas de transmissão convencionais (que usam um espaçamento de condutores fixos de 0,4572 m) em comparação às linhas otimizadas é apresentada na tabela2. pode-se ver que houve um incremento da potência característica em valores de 54, 42, 34 e 26% para os diferentes níveis de tensão estudados, especificamente para 230, 345, 500 e 750 kV.
Tabela 2 – Potência das linhas convencionais.
Convencional Não Convencional
Tensão Condutor Nsc Pc[MW] Tensão Condutor Nsc Pc[MW]
230 kV Dove 1 140 230 kV Oriole 2 215
345 kV Grosbeak 2 419 345 kV Linnet 4 596
500 kV Tern 3 923 500 kV Hawk 5 1235
750 kV Bunti 4 2111 750 kV Drake 6 2665
Quando se deseja aumentar a capacidade de transmissão, em valores de 1,5 p.u. ou superiores, o tamanho resultante dos feixes é muito grande, apresentando dificuldades na construção das torres, e gerando custos extras ligados ao incremento do peso da mesma. Embora os custos associados sejam maiores o resultado é mais atrativo utilizando LPNE (RODRIGUES, 2010). Porém, como a técnica de LPNE ainda é recente, precisa-se de mais pesquisas para otimizar o comprimento dos feixes e os custos de construção.
2.1.3.1. Projetos implementados
Como as pesquisas utilizando as LPNE são bastantes novas, há poucas linhas construídas utilizando arranjos não convencionais na disposição dos condutores, no entanto, foram construídas no Brasil algumas linhas com geometrias não convencionais para transmitir energia em 500 kV (AMON et al., 2015).
2.1.3.2. Estudos realizados com linhas de transmissão não convencionais
Alguns pesquisadores realizaram estudos utilizando as LPNE como Milton E. Zevallos e Maria C. Tavares, baseados em silhuetas desenvolvidas por C. M. Portela, os quais apresentam pesquisas de arco secundário (ZEVALLOS,2013) implementadas em linhas não convencionais..
Recentemente, as linhas de transmissão não convencionais, baseadas no trabalho de (MACIEL, 2013), têm sido usadas em pesquisas de linhas sintonizadas para meio comprimento de onda (SANTIAGO; TAVARES,2015).
Capítulo 3
Procedimentos
Neste capítulo é feita uma descrição teórica dos procedimentos necessários para aumentar a capacidade de transmissão das linhas, junto com as considerações elétricas, mecânicas e econômicas requeridas. Também são apresentados alguns diagramas de fluxo, permitindo compreender a lógica do algoritmo proposto, desde os processos particulares até chegar aos elementos globais.