Modelo e estudo de sobretensões de energização e descarga atmosférica nos padrões compacto e supercompacto urbanos de linhas de distribuição de alta tensão 138 KV

(1)

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS DE ENERGIA

MURYLLO AMALIO DE SOUZA

MODELO E ESTUDO DE SOBRETENSÕES DE

ENERGIZAÇÃO E DESCARGA ATMOSFÉRICA NOS

PADRÕES COMPACTO E SUPERCOMPACTO URBANOS

DE LINHAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ALTA TENSÃO 138 KV

DISSERTAÇÃO

CURITIBA 2020

(2)

MODELO E ESTUDO DE SOBRETENSÕES DE

ENERGIZAÇÃO E DESCARGA ATMOSFÉRICA NOS

PADRÕES COMPACTO E SUPERCOMPACTO URBANOS

DE LINHAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ALTA TENSÃO 138 KV

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial para obtenção do título de “Mestre em Engenharia Elétrica” – Área de Concentração: Automação e Sistemas de Energia.

Orientador: Prof. Dr. Ulisses Chemim Netto

CURITIBA 2020

(3)

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Souza, Muryllo Amalio de

Modelo e estudo de sobretensões de energização e descarga atmosférica nos padrões compacto e supercompacto urbanos de linhas de distribuição de alta tensão 138KV [recurso eletrônico] / Muryllo Amalio de Souza. -- 2020.

1 arquivo eletrônico (151 f.): PDF; 9,03 MB. Modo de acesso: World Wide Web.

Texto em português com resumo em inglês.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia. Área de Concentração: Automação e Sistemas de Energia. Linha de pesquisa: Processamento e Análise de Energia, Curitiba, 2020.

Bibliografia: f. 124-130.

1. Sistemas de energia elétrica - Dissertações. 2. Linhas elétricas aéreas. 3. Energia elétrica – Transmissão - Técnica. 4. Regiões metropolitanas. 5. Energia elétrica - Distribuição - Alta tensão. 6. ATP (Programa de computador). 7. Sobretensão. 8. Descargas elétricas. 9. Transitórios (Eletricidade). 10. Sistemas de energia elétrica - Estabilidade. 11. Sistemas de energia elétrica - Proteção. 12. Simulação (Computadores). I. Chemin Netto, Ulisses, orient. II. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia. III. Título.

CDD: Ed. 23 -- 621.31 Biblioteca Central do Câmpus Curitiba - UTFPR

(4)

Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação

TERMO DE APROVAÇÃO DE DISSERTAÇÃO

A Dissertação de Mestrado intitulada “Modelo e estudo de sobretensões de energização e descarga atmosférica nos padrões compacto e supercompacto urbanos de linhas de distribuição de alta tensão 138KV.”, defendida em sessão pública pelo candidato(a) Muryllo Amalio de Souza, no dia 16 de março de 2020, foi julgada para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica, Área de concentração Automação e Sistemas de Energia, Linha de pesquisa Processamento e Análise de Energia, e aprovada em sua forma final, pelo Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Energia - PPGSE.

BANCA EXAMINADORA:

Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto – Presidente – UTFPR Profa. Dra. Nastasha Salame da Silva – UTFPR Prof. Dr. Fernando Henrique Silveira – UFMG

A via original deste documento encontra-se arquivada na Secretaria do Programa, contendo a assinatura da Coordenação após a entrega da versão corrigida do trabalho.

Curitiba, 16 de março de 2020.

_____________________________________________________ Carimbo e Assinatura do(a) Coordenador(a) do Programa

(5)

para que eu pudesse concluir mais esse desafio. Também dedico o resultado desse trabalho aos meus pais, incentivadores e conselheiros constantes em minha vida, e aos meus avós e amigos que me acompanham nessa caminhada em outro plano existencial.

(6)

Agradeço primeiramente ao professor Dr. Ulisses Chemim Netto, por sua orientação e pelas discussões ao longo da pesquisa e também pelos anos de amizade; Agradeço aos meus pais por seus exemplos de perseverança, resiliência e retidão, valores fundamentais que carrego em minha vida. Também agradeço à Companhia Paranaense de Energia, Copel, em especial à engenheira Andrea Cristina Brotto Bertolin e aos engenheiros Ricardo Soares Cavassin e João Nelson Hoffmann, por seus incentivos e apoio na realização do mestrado. Aos amigos que fiz ao longo dessa jornada também quero deixar meu agradecimento pelas discussões e troca de informações sobre assunto aqui abordado.

(7)

SOUZA, Muryllo Amalio de. MODELO E ESTUDO DE SOBRETENSÕES DE ENERGIZAÇÃO E DESCARGA ATMOSFÉRICA NOS PADRÕES COMPACTO E SUPERCOMPACTO URBANOS DE LINHAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ALTA TENSÃO 138 KV. 151 f. Dissertação – Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2020.

A conexão de subestações 69 e 138 kV localizadas em espaços altamente urbanizados, como grande cidades, demanda a construção de linhas de transmissão de energia que sejam compatíveis a esse meio onde o espaço físico é restrito. As opções de padrão construtivo para linha de transmissão mais comumente utilizadas nesse cenário são as linhas subterrâneas e os padrões compactos de linhas aéreas. A Companhia Paranaense de Energia, Copel, possui, atualmente, mais de 500 quilômetros de linhas de distribuição de alta tensão compactas aéreas, nas tensões de 69 e 138 kV, instaladas em sua área de concessão. Este padrão construtivo, também chamado de padrão urbano, foi desenvolvido pela Copel no final da década de 1970 e permite sua construção em espaços físicos reduzidos, como calçadas e canteiro centrais de avenidas, onde linhas em padrão construtivo de torres metálicas treliçadas convencionais não seriam adequadas. O padrão construtivo compacto possui menor custo do que as linhas de transmissão subterrâneas, além de apresentar alto grau de segurança devido às características físicas de seus componentes. O aspecto visual desse padrão construtivo compacto resultou em grande aceitação dessas linhas pela população e, por consequência, é amplamente utilizado por aquela concessionária. Os estudos de otimização desse padrão construtivo resultou no desenvolvimento de um padrão com distâncias entre fases ainda menor, passando dos 1,7 metros do padrão compacto urbano convencional, para 1,2 metro. Este trabalho contribui com a continuidade e desenvolvimento dos estudos de aplicação do padrão supercompacto e também contribui para a literatura através da apresentação dos critérios e modelamento de ambos os padrões urbanos, compacto e supercompacto, no programa ATPDraw desenvolvendo um estudo comparativo do comportamento de ambos os padrões frente a sobretensões de energização e descargas atmosféricas, sendo esses dois aspectos fundamentais para entendimento do impacto da redução de distâncias entre fases no desempenho de linhas de transmissão de energia. Este trabalho conclui que, apesar da redução de 30% da distância entre fases, dentro dos parâmetros apresentados, ambos os arranjos construtivos apresentarão valores de sobretensões semelhantes.

Palavras-chave: Linha de transmissão aérea. Sobretensão. EMTP. Descarga Atmosférica. Energização. Compactação. ATPDraw.

(8)

SOUZA, Muryllo Amalio de. Model and study on energization and lightning overvoltages for compact and supercompact 138 kV overhead transmission lines arrangements. 151 f. Dissertação – Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2020.

The connection of 69 and 138 kV substations located in highly urbanized spaces, such as large cities, requires the construction of power transmission lines that are compatible with this environment, in which physical space is reduced. The most common transmission line arrangements options for this scenario are underground lines and compact overhead lines. The electrical utility Companhia Paranaense de Energia, Copel, currently has more than 500 kilometers of compact overhead high voltage distribution lines, at voltages of 69 and 138 kV, installed in its concession area. This construction arrangement, also called urban transmission lines, was developed by Copel in the late 1970s and allows its construction in reduced physical spaces, such as sidewalks, where transmission lines with conventional arrangements in latticed metal towers would not be adequate. This compact construction arrangement also has lower costs than underground transmission lines, and they present a high safety degree due to the physical characteristics of its components. The aesthetic side of this compact construction arrangement resulted in the high acceptance of these lines by the population and, consequently, have been widely used by this utility. The optimization studies of this construction arrangement resulted in the development of a transmission line with even shorter distances between phases, going from 1.7 meters of the conventional compact urban standard to 1.2 meters, resulting in the supercompact urban transmission line arrangement. This research contributes to the criteria and modeling of both urban arrangements in the ATPDraw program performing a comparative study of the behavior of both arrangemets concerning energization and lightning overvoltages. These have been two of the fundamental aspects for understanding the impact of reducing the distance between phases on the performance of power transmission lines. The reduction of 30% in the phase to phase distance, within the presented parameters, both constructive arrangements will present similar values of overvoltages.

Keywords: Overhead Transmission line. Overvoltage. EMTP. Lightning. Energization.

(9)

–

FIGURA 1 Componentes de linha de transmissão aérea . . . 27 –

FIGURA 2 Torre treliçada metálica . . . 29 –

FIGURA 3 Estrutura monotubular metálica . . . 30 –

FIGURA 4 Poste de concreto armado . . . 31 –

FIGURA 5 Estrutura tipo H em Madeira . . . 32 –

FIGURA 6 Disposição de circuitos em uma linha de transmissão . . . 32 –

FIGURA 7 Disposição triangular circuitos simples e duplo . . . 33 –

FIGURA 8 Variação anual do preço do alumínio e cobre . . . 34 –

FIGURA 9 Seção transveral de Condutores CAA, com alma de aço galvanizado 36 –

FIGURA 10 Condutores CAA e tentos trapezoidais . . . 37 –

FIGURA 11 Condutores OPPC (Optical Phase Cable) . . . 37 –

FIGURA 12 Ábaco para determinação do incremento de resistência em função do efeito pelicular . . . 40 –

FIGURA 13 Isolador tipo Linepost de porcelana . . . 43 –

FIGURA 14 Isolador tipo disco fabricado em vidro . . . 43 –

FIGURA 15 Exemplo de isolador tipo pilar . . . 44 –

FIGURA 16 Exemplo de isolador monocorpo . . . 45 –

FIGURA 17 Exemplo de isolador Disco . . . 45 –

FIGURA 18 Primeira linha compacta urbana da Copel . . . 49 –

FIGURA 19 Comparativo Rural e Compacta . . . 50 –

FIGURA 20 Disposição física do padrão urbano compacto da Copel . . . 51 –

FIGURA 21 Padrão urbano circuito duplo . . . 52 –

FIGURA 22 Braço auxiliar inferior . . . 55 –

FIGURA 23 Sistema de Aterramento . . . 56 –

FIGURA 24 Exemplo de isolador suspensão linepost . . . 57 –

FIGURA 25 Padrão supercompacto urbano . . . 58 –

FIGURA 26 Intervalos de frequência típicos de fenômenos eletromagnéticos . . . 62 –

FIGURA 27 Representação de Reflexão do surto . . . 66 –

FIGURA 28 Desligamentos 138kV . . . 68 –

FIGURA 29 Mecanismo de propagação de surto . . . 69 –

FIGURA 30 Representação da reflexão de onda . . . 71 –

FIGURA 31 Curvas de Sobretensão temporária . . . 72 –

FIGURA 32 Características das linhas urbanas da Copel . . . 75 –

FIGURA 33 Árvore de decisão para escolha do modelo de linha . . . 76 –

FIGURA 34 Dados de entrada do modelo de linha JMarti . . . 77 –

FIGURA 35 Dados LCC para arranjo urbano compacto . . . 78 –

FIGURA 36 Dados LCC para arranjo urbano supercompacto . . . 79 –

FIGURA 37 Parametrização da chave estatística . . . 83 –

FIGURA 38 Modelo de linha de transmissão para simulações de energização . . . 85 –

FIGURA 39 Dados LCC para Estudo de descarga atmosférica para arranjo convencional . . . 86 –

(10)

–

FIGURA 42 Impedâncias de surto dos arranjos compacto e supercompacto . . . 89 –

FIGURA 43 Gráfico de Suportabilidade dos isoladores . . . 92 –

FIGURA 44 Corrente de pico de descargas atmosféricas em parte do Brasil . . . 94 –

FIGURA 45 Modelo da linha estudada . . . 95 –

FIGURA 46 Distribuição de frequência de energização arranjo compacto 5 quilômetros . . . 98 –

FIGURA 49 Distribuição de frequência de energização arranjo supercompacto 5 quilômetros . . . 102 –

FIGURA 52 Tensão de flashover de manobra versus espaçamento em ar . . . 108 –

FIGURA 53 Curvas para redução da tensão suportável devido a gaps em paralelo 109 –

FIGURA 54 Sobretensão de energização para arranjo compacto convencional em função do comprimento da linha. . . 113 –

FIGURA 55 Sobretensão de energização para arranjo supercompacto em função do comprimento da linha. . . 113 –

FIGURA 56 Impacto da supercompactação no valor de sobretensão de energização em linhas urbanas compactas . . . 114 –

FIGURA 57 Sobretensão atmosférica com onda 1,2 x 50µs para arranjo compacto convencional . . . 115 –

FIGURA 58 Sobretensão atmosférica com onda 1 x 5µs para arranjo compacto convencional . . . 116 –

FIGURA 59 Sobretensão atmosférica com onda 3,8 x 50µs para arranjo compacto convencional . . . 116 –

FIGURA 60 Sobretensão atmosférica com onda 1,2 x 50µs para arranjo supercompacto convencional . . . 117 –

FIGURA 61 Sobretensão atmosférica com onda 1 x 5µs para arranjo supercompacto convencional . . . 117 –

FIGURA 62 Sobretensão atmosférica com onda 3,8 x 50µs para arranjo supercompacto convencional . . . 118 –

FIGURA 63 Gráfico com dados consolidados de sobretensão nos arranjos compacto convencional e Supercompacto . . . 120 –

FIGURA 64 Menu LCC . . . 135 –

FIGURA 65 ìcone Linha de Transmissão . . . 135 –

FIGURA 66 Aba "Model"do elemento LCC . . . 136 –

FIGURA 67 Aba “Data” do elemento LCC . . . 139 –

FIGURA 68 Submenu Sources . . . 141 –

FIGURA 69 Submenu Configuração AC Source . . . 142 –

FIGURA 70 Menu Elementos Lineares . . . 144 –

(11)

–

(12)

–

TABELA 1 Distância geométricas de linhas compactas urbanas . . . 49 –

TABELA 2 Condutores das linhas compactas urbanas . . . 54 –

TABELA 3 Impedâncias de surto do arranjo compacto convencional . . . 88 –

TABELA 4 Impedâncias de surto do arranjo supercompacto . . . 89 –

TABELA 5 Dados estatísticos para sobretensão de energização em linha compacta com 5 quilômetros de comprimento . . . 99 –

TABELA 8 Dados estatísticos para sobretensão de energização em linha supercompacta com 5 quilômetros de comprimento . . . 103 –

TABELA 11 Valores de sobretensão média dos arranjos compacto e supercompacto 106 –

TABELA 12 Valores máximos de sobretensão para ambos os arranjos e com 95% de confiança . . . 106 –

TABELA 13 Valores de Vws e Vm para ambos os arranjos para os comprimentos de 5, 10 e 20 km . . . 110 –

TABELA 14 VCálculo de Vws aplicado em dados de CFO medidos em laboratório para o arranjo supercompacto . . . 110 –

TABELA 15 Espaçamento em ar e CFO associado para os cabos para raios e auxiliar 111 –

TABELA 16 Análise dos resultados obtidos para os espaçamentos em ar dos cabos para raios e auxiliar no arranjo supercompacto . . . 112 –

TABELA 17 Análise dos resultados obtidos para os espaçamentos em ar dos cabos para raios e auxiliar no arranjo supercompacto . . . 112 –

(13)

Copel Companhia Paranaense de Energia

DEC Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora FEC Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica

EPRI Electric Power Research Institute

EMTP Electromagnetic Transients Program

ATP Alternative Transients Program

ACSR Aluminum Conductor Steel Reinforced

CAA Condutor de Alumínio com Alma de Aço

CA Condutor homogêneo de alumínio

AAC All Aluminum Conductor

CAL Condutores de Alumínio Liga

AAAC All Aluminum Alloy Conductors

CALA Condutor de Alumínio com Liga de Alumínio ACAR Aluminum conductor, Alloy reinforced

IACS International Annealed Copper Standard

OPPC Optical Phase Cable

OPGW Optical Ground Wires

LDAT Linhas de Distribuição de Alta Tensão NBI Nível Básico de Isolamento

BIL Basic Insulation Level

MCM Mil Circular Mil

AIEE American Institute of Electrical Engineers

EEI Edison Electric Institute

NEMA National Electrical Manufacturers Association

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

p.u. Por Unidade

(14)

1 INTRODUÇÃO . . . 16 1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA . . . 18 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS . . . 18 1.3 OBJETIVOS . . . 19 1.3.1 Objetivo Geral . . . 19 1.3.2 Objetivos Específicos . . . 19 1.4 JUSTIFICATIVA . . . 20 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS . . . 20 1.6 REFERENCIAL TEÓRICO . . . 21 1.7 ORGANIZAÇÃO DO DOCUMENTO . . . 23

2 LINHAS AÉREAS DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA 25 2.1 COMPONENTES DAS LINHAS DE TRANSMISSÃO AÉREAS . . . 27

2.1.1 Estruturas de suporte . . . 28

2.1.1.1 Materiais para suporte para linhas de transmissão . . . 28

2.1.1.2 Disposição dos condutores na estrutura . . . 31

2.1.2 Cabos condutores . . . 33

2.1.2.1 Condutores para linhas de transmissão aéreas . . . 33

2.1.2.2 Aspectos construtivos dos condutores CAA . . . 36

2.1.2.3 Resistência CC de condutores para linhas de transmissão . . . 37

2.1.2.4 Resistência CA de condutores para linhas de transmissão . . . 39

2.1.3 Isoladores . . . 41

2.1.3.1 Tipos de isoladores . . . 43

2.1.4 Cabo Para-raios . . . 45

2.1.5 Sistema de aterramento . . . 46

2.2 COMENTÁRIOS FINAIS . . . 46

3 LINHAS COMPACTAS URBANAS . . . . 47

3.1 PADRÃO COMPACTO PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO AÉREAS . . . 48

3.2 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DO PADRÃO URBANO COMPACTO . . . 48

3.2.1 Caracteristicas dos vãos das linhas compactas urbanas . . . 50

3.2.2 Estruturas de suporte . . . 51

3.2.3 Condutores . . . 53

3.2.4 Braço metálico Auxiliar . . . 54

3.2.5 Sistema de Aterramento . . . 54

3.2.6 Isoladores . . . 56

3.3 PADRÃO URBANO SUPERCOMPACTO PARA LINHAS AÉREAS URBANAS . . . 57

3.4 NÍVEL BÁSICO DE ISOLAMENTO . . . 58

4 REGIME TRANSITÓRIO EM LINHAS AÉREAS DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA . . . . 60

(15)

4.2.2 Principais fontes dos Transitórios Eletromagnéticos . . . 61

4.3 IMPACTOS DOS TRANSITÓRIOS NO SISTEMA ELÉTRICO . . . 63

4.3.1 Sobretensões causadas por manobras . . . 64

4.3.2 Sobretensões causadas por descargas atmosféricas . . . 67

4.3.3 Sobretensões temporárias . . . 71

5 MODELOS DAS LINHAS COMPACTAS PARA ESTUDOS DE SURTO DEVIDO À ENERGIZAÇÃO E DESCARGA ATMOSFÉRICA . . . 74

5.1 MODELO PARA ESTUDO DE SOBRETENSÕES DEVIDO A ENERGIZAÇÃO . . . 74

5.1.1 Determinação do passo de integração para simulação de energização . . . 80

5.1.2 Modelo da fonte . . . 82

5.1.3 Modelo de chave para estudos estatísticos . . . 82

5.1.4 Equivalente de barra . . . 84

5.1.5 Modelo ATPDraw para análise de sobretensão de energização . . . 84

5.2 MODELO PARA ESTUDO DE SOBRETENSÕES DEVIDO A DESCARGAS ATMOSFÉRICAS . . . 84

5.2.1 Modelo da linha de transmissão . . . 84

5.2.1.1 Linha Aérea . . . 85

5.2.1.2 Estruturas . . . 86

5.2.1.3 Aterramento . . . 89

5.2.1.4 Suportabilidade dos Isoladores . . . 91

5.2.1.5 Condutores . . . 92

5.2.2 Modelo da fonte de descarga atmosférica . . . 92

5.2.3 Passo de integração para estudo de descarga atmosférica . . . 94

5.2.4 Modelo completo . . . 95

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO . . . . 97

6.1 ENERGIZAÇÃO . . . 97

6.1.1 Resultados para simulações de manobra de energização . . . 97

6.1.1.1 Resultados para arranjo compacto convencional . . . 97

6.1.1.2 Resultados para simulações de manobra de energização arranjo supercompacto 99 6.1.2 Discussão dos resultados para energização . . . 106

6.1.2.1 Determinação do CFO teórico . . . 107

6.1.2.2 Determinação da tensão limite . . . 107

6.1.2.3 Aplicação da metodologia em dado de CFO real para linha supercompacta . . 110

6.1.2.4 Aplicação da metodologia nos espaçamentos do cabo para-raios e auxiliar . . . 111

6.1.2.5 Análise do impacto do comprimento das linhas na sobretensão de energização 111 6.1.2.6 Análise do impacto do tipo de arranjo na sobretensão de manobra. . . 113

6.2 DESCARGA ATMOSFÉRICA . . . 114

6.2.1 Resultados para simulações de descarga atmosférica . . . 115

6.2.1.1 Resultados para simulações de descarga atmosférica do arranjo compacto . . . 115

6.2.1.2 Resultados para simulações de descarga atmosférica do arranjo supercompacto 116 6.2.2 Discussão dos resultados para descarga atmosférica . . . 118

(16)

7.2 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS . . . 124

REFERÊNCIAS . . . 125

Apêndice A -- FERRAMENTA DE ANÁLISE . . . 132

A.1 BREVE HISTÓRICO SOBRE O SOFTWARE ATP . . . 132

A.2 MODELAMENTO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO NO ATP . . . 134

A.2.1 Cabos (LCC) . . . 134

A.2.1.1System Type . . . 135

A.2.1.2Standard Data . . . 138

A.2.1.3Model . . . 138

A.2.1.4Aba Data . . . 139

A.2.2 Fontes de tensão, corrente e impulsivas . . . 141

A.2.2.1Fonte de tensão ou corrente . . . 142

A.2.2.2Fontes impulsivas . . . 143

A.2.3 Elementos passivos lineares . . . 144

A.2.4 Chaves . . . 144

A.2.4.1Chave com controle de tempo . . . 145

A.2.4.2Chave trifásica com controle de tempo . . . 145

A.2.4.3Chave controlada por tensão . . . 145

A.2.4.4Chave estatística . . . 146

A.2.5 Medição de tensão e corrente . . . 146

A.3 GRÁFICOS . . . 147

A.4 CONFIGURAÇÕES BÁSICAS PARA SIMULAÇÃO . . . 147

A.5 COMENTÁRIOS FINAIS . . . 149

(17)

1 INTRODUÇÃO

A construção de novas linhas de distribuição de alta tensão (i.e. 69 e 138 kV) aéreas em meios urbanizados tem se tornado um grande desafio para a engenharia. As dificuldades para obtenção de autorização emitida pelo poder público para instalação das linhas, o reduzido espaço físico disponível e de alto valor financeiro, e características dimensionais das estruturas metálicas são alguns aspectos importantes que evidenciam os obstáculos a serem transpostos para a construção de linhas nesse ambiente. Por outro lado, a crescente demanda por energia elétrica nesses locais traz consigo a necessidade da construção de novas linhas de distribuição de alta tensão e de novas subestações em regiões com alta densidade populacional, estabelecendo, então, o desafio a ser suplantado. Na década de 1970, como descrito por Loewenthal et al. (1981), haviam poucas soluções para atendimento da demanda em áreas altamente urbanizadas, visto a natural aversão da população por linhas de transmissão e a escassez de espaço físico. Uma das soluções disponíveis era a implantação de linhas subterrâneas, sendo essa solução a mais adequada à época, além de ser uma solução visualmente mais bem aceita pela população. Entretanto, essa solução apresenta alto custo, estimada na ordem de 10 vezes o custo de uma linha aérea de mesma capacidade, apresentando alto impacto ambiental durante sua implantação devido à escavações em ambiente urbano. Outra solução possível era a adoção de linhas aéreas compactas, de onde resultou o desenvolvimento do padrão construtivo por parte da Companhia Paranaense de Energia (Copel), abordado nesta pesquisa.

Como alternativa técnica e econômica, após estudos de compactação do arranjo aéreo convencional, foi proposto um padrão urbano compacto para linhas de distribuição de alta tensão, ou seja, padrões com tensão operativa de 69 kV e 138 kV instalados em postes circulares de concreto, com distância reduzida entre fases (LOEWENTHAL et al., 1981). Enquanto a distância entre fases usual em arranjo de linhas aéreas de 138 kV em estruturas metálicas é da ordem de 3,5 metros, sua versão compacta em postes apresenta 1,7 metros para a mesma distância. Já para a tensão operativa de 69 kV compacta, a distância entre fases foi determinada em 1,2 metros. Este padrão compacto passou a ser comumente conhecido como linha compacta urbana ou simplesmente linhas urbanas (LOEWENTHAL et al., 1981) e (PROSDÓCIMO; MARTIN, 1993).

Ainda, conforme Prosdócimo e Martin (1993), os pontos fortes do arranjo compacto urbano eram o menor espaço físico ocupado, em comparação às estruturas convencionais em aço e o baixo impacto ambiental e visual, seja durante a instalação, seja

(18)

durante a operação. Por outro lado, a redução da distância entre fases também trouxe limitações para a implantação do padrão compacto, como, por exemplo, a necessidade de projetar a linha com menores vãos, devido à aproximação e balanço dos condutores, e também a necessidade de uso de condutores de maior bitola em função da alta concentração de campo elétrico na superficie do condutor (MARTIN et al., 1984).

Estudos iniciais de viabilidade técnica para maior compactação das linhas de distribuição de alta tensão com 1,7 metros entre fases (138 kV), chegando à distância de 1,2 metros, foram realizadas por Souza e Hoffmann (2013). O objetivo desses estudos de compactação era o aproveitamento da infraestrutura de linhas de distribuição compactas urbanas de alta tensão de 69 kV, possibilitando sua operação em 138 kV e o consequente aumento do transporte de energia com o mínimo de intervenção no meio urbano.

A compactação de linhas de transmissão é objeto de diversos estudos ((EPRI, 1978), (HOFFMANN et al., 2003), (SOUSA et al., 2018), (CRISOSTENES et al., 2012)), particularmente para aplicação em linhas de transmissão aéreas com tensão nominal igual a 500 kV (Régis Jr et al., 1993). Essa técnica traz como benefícios, por exemplo, a redução da faixa de passagem, redução no impacto ambiental, ou mesmo aumento da capacidade de transmissão, conforme mencionado por Régis Jr et al. (2009). Porém, o estudo para compactação e reisolamento de linhas de transmissão aéreas com tensões nominais não superiores a 230 kV também tem se mostrado importante e necessário, visto que se observa um constante aumento na demanda por energia elétrica, principalmente em regiões de alta densidade populacional. Por conseguinte, há necessidade de desenvolvimento de padrões construtivos de linhas de transmissão que tenham como característica menor ocupação do espaço físico, sendo próprios para instalação em meio urbano densamente edificado (BIASOTTO, 2009).

Construir uma linha de transmissão ou distribuição de alta tensão aérea em tal condição de ocupação do espaço urbano representa um desafio para a engenharia pois, como abordado por Dranka Junior (2009), tem sido verificada a necessidade de reduzir o impacto visual, bem como nota-se maior pressão por parte da população contra a implantação de novas linhas próximas às suas residências. O estudo para a redução das distâncias entre fases, particularmente das linhas de distribuição de alta tensão urbanas 138 kV, de 1,7 metros para 1,2 metros entre fases, permite que seja possível o aproveitamento da infraestrutura das linhas compactas de 69 kV já instaladas, minimizando o impacto de novos empreendimentos, reduzindo a possibilidade de embargos dessas obras por parte da população, garantindo a conclusão das obras e o atendimento

(19)

à demanda de energia elétrica.

1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA

O desenvolvimento do padrão compacto urbano 138 kV de linhas aéreas com distâncias muito reduzida, ou seja, padrão de linha aérea com 1,2 metros de distância entre fases, demanda a necessidade de se estudar o comportamento desse arranjo frente a sobretensões, visto ser este um dos aspectos analisados quando da implantação de uma linha de transmissão, usualmente em classes de tensão maiores do que 230 kV (ROHLFS; SCHNEIDER, 1983).

O desempenho da linha de transmissão frente a sobretensões está relacionado com as condições e quantidade de desligamentos, impactando na disponibilidade destas instalações dentro do sistema elétrico de potência e, portanto, quando relacionada a linhas de 69 e 138 kV, na qualidade de energia fornecida pela concessionária, tendo potencial de afetar os indicadores coletivos de continuidade DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) e FEC (Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) de sistemas de distribuição de energia da concessionária. Em linhas de rede básica (i. e., acima de 138 kV), a disponibilidade é regulada pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), podendo resultar em multas e perda de receitas por parte do responsável pelo ativo.

O padrão construtivo “supercompacto”, proposto por Souza e Hoffmann (2013), foi desenvolvido com base no padrão Copel de linha urbana compacta. Desse modo, não há menção específica na literatura técnica sobre o desempenho frente a sobretensões esperado para esses arranjos, conforme é possível observar na publicação do EPRI (Electric

Power Research Institute), um livro dedicado às linhas compactas. Dessa forma,

torna-se imperativo que os estudos de sobretensões torna-sejam direcionados para as características físicas do padrão construtivo proposto por Souza e Hoffmann (2013), de modo a permitir que análises operativas sejam mais acuradas, incluindo as características elétricas e físicas do arranjo supercompacto.

1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS

A necessidade de implantação de linhas de transmissão em regiões urbanas resulta na escolha, por parte do projetista de linhas de transmissão, de um padrão construtivo compacto que seja mais adequado para essa demanda e localização.

(20)

No entanto, embora o padrão construtivo que se pretende abordar nessa pesquisa tenha suas características construtivas bem descritas e artigos técnicos publicados por Loewenthal et al. (1981), Prosdócimo e Martin (1993), Hoffmann et al. (2010) e Dranka Junior (2009), até o momento ainda não se observou o impacto que a redução de 1,7 metros para 1,2 metros da distância entre fases traz para o desempenho frente a transitórios eletromagnéticos, bem como quais as limitações impostas pelas sobretensões no uso do padrão construtivo em larga escala, isto é, em linhas de transmissão cada vez mais longas. Desse modo, o problema principal a ser abordado nessa pesquisa é a caracterização do comportamento do padrão construtivo “supercompacto” de linhas de transmissão urbanas frente aos transitórios eletromagnéticos, em especial às sobretensões resultantes de manobras e descargas atmosféricas, e sua comparação com o padrão convencional de linha de transmissão urbana.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 OBJETIVO GERAL

Analisar o comportamento elétrico dos arranjos compacto e supercompacto de linhas de transmissão urbanas de 138 kV frente a sobretensões originadas por transitórios eletromagnéticos de energização e descarga atmosférica através de simulações em programa computacional EMTP/ATP.

1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Conhecer os detalhes construtivos das linhas de transmissão 138 kV em padrão urbano compacto e supercompacto da Copel;

• Pesquisar sobre os mecanismos físicos dos transitórios eletromagnéticos e sua interação com o sistema elétrico de potência;

• Pesquisar e conhecer a origem, características e impacto da sobretensão em linhas de transmissão;

• Pesquisar sobre modelamento de linhas de transmissão adequado para análise de cada tipo de transitório, abordados nessa pesquisa;

(21)

• Criar um conjunto de situações de operação para cada fenômeno transitório caracterizado;

• Analisar o comportamento da linha de transmissão, no arranjo urbano convencional e supercompacto, para as situações de transitório caracterizadas;

1.4 JUSTIFICATIVA

Espaços urbanos com grande densidade populacional, em geral, possuem pouca capacidade para acomodar novas linhas aéreas de distribuição de alta tensão, com tensão nominal igual a 138 kV, construídas em torres metálicas e com um espaçamento convencional de 3,5 metros entre condutores. Conforme apontado na seção 1, a proposição de um padrão construtivo aéreo compacto pode representar uma solução viável em relação a uma linha de transmissão de mesma classe de tensão subterrânea.

Para o desenvolvimento de um padrão compacto é necessário analisar quais são os aspectos relevantes dessa solução com objetivo de verificar sua viabilidade técnica e operativa. Entender e descrever o desempenho deste padrão compacto frente a sobretensões constitui um importante aspecto a ser estudado, pois deste modo será possível pontuar as limitações de aplicação de linhas compactas e supercompactas urbanas, visando tanto a segurança operativa do sistema como a segurança da instalação em si.

1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

Primeiramente, serão realizadas pesquisas bibliográficas na literatura sobre o estado da arte da compactação de linhas de transmissão ou distribuição, visando entender os critérios e parâmetros levados em consideração para subsidiar sua viabilidade técnica. Em seguida será realizada pesquisa sobre a caracterização dos parâmetros intrínsecos às linhas de transmissão aéreas de corrente alternada, como, por exemplo, indutância, capacitância e resistência elétrica, com base em conceitos de eletromagnetismo, verificando se os modelos atuais descrevem de modo satisfatório o padrão construtivo que se deseja estudar (compacto, 138 kV, 1,2 metros entre fases, disposição vertical, circuitos simples e duplo).

Caracterizado o modelo matemático que melhor descreve o arranjo construtivo desejado, será, então, utilizado o programa computacional EMTP/ATP

(22)

para-representação computacional, com o intuito de realizar diversas simulações, como por exemplo, descarga atmosférica e sobretensão de manobra, de modo a ser possível descrever o comportamento e desempenho da suportabilidade de isolamento elétrico do arranjo proposto em diferentes condições operativas.

1.6 REFERENCIAL TEÓRICO

As linhas de transmissão são os elementos mais importantes do sistema elétrico de potência, e assim se manterá durante muitos ano, segundo a análise de Kiessling et al. (2002). As linhas de transmissão, segundo Fuchs (1977), são os elementos-base responsáveis pelo transporte de energia e têm como função principal o transporte de energia entre os centros de geração e os centros de consumo, podendo ser classificadas como linhas de transmissão ou subtransmissão. Desta forma, as linhas de transmissão são aquelas que operam com as maiores tensões do sistema, tendo como função o transporte da energia entre os centros de geração e de consumo, ou interligação de centros de produção. Essas linhas chegam a subestações abaixadoras regionais, que adequam o nível de tensão para a tensão de subtransmissão. As linhas de subtransmissão operam, portanto, em tensões menores que as de linhas de transmissão, tendo como função a distribuição a granel da energia transportada pelas linhas de transmissão. Essas linhas nascem nos barramentos das subestações regionais e terminam em subestações abaixadoras locais.

Entretanto, o crescimento constante da demanda, e também dos centros urbanos, tem revelado de forma mais acentuada o desafio de transportar energia dentro das grandes cidades. A utilização de padrões construtivos específicos, como linhas subterrâneas ou aéreas compactas, permitem cumprir essa demanda. A utilização de linhas subterrâneas, embora seja uma solução já bastante adotada, ainda é relativamente custosa se comparada às linhas aéreas. Seu custo, segundo Kiessling et al. (2002), está na ordem de 7 vezes o custo de uma linha aérea convencional de mesma tensão. Nesse aspecto, linhas aéreas compactas construídas com postes circulares e com distância entre fases reduzida, podem ser adotadas com relativa facilidade (PROSDÓCIMO; MARTIN, 1993). Tais linhas possuem pequenas dimensões se comparadas às linhas convencionais de mesma classe de tensão e capacidade de transmissão semelhantes, mas também adotam diversos dispositivos para aumentar sua confiabilidade e segurança, como aterramento por hastes metálicas, cabos auxiliares e condutores de maior bitola (HOFFMANN et al., 2010).

Os regimes transitórios são caracterizados pela manifestação de uma súbita mudança nas condições do circuito, seja por abertura/fechamento destes ou faltas

(23)

ocorridas no sistema elétrico de potência. Greenwood (1971), embora não cite ordem de grandeza, afirma que a fração de tempo do regime transitório é, se comparada ao período de tempo do regime permanente, muito pequena. Contudo, esses curtos períodos de tempo são importantes, pois é nesse momento que os componentes dos circuitos estão sujeitos à maiores solicitações elétricas devido a grandes tensões ou correntes, o que pode resultar em danos permanentes aos componentes da linha de transmissão, em casos extremos. Portanto, conforme afirmado também por Greenwood (1971), o entendimento dos eventos que surgem no momento transitório é essencial para a adequada compreensão do comportamento dos circuitos elétricos e para melhor conhecer as características das sobretensões ou sobrecorrentes resultantes

As linhas de transmissão, assim como o sistema elétrico depotência como um todo e independente da sua classe de tensão, estão sujeitas a fenômenos transitórios. Esses distúrbios, conforme descrito por Araújo e Neves (2005), devem ser estudados e considerados no dimensionamento do sistema elétrico de potência. Hedman (1983) explica que as sobretensões podem ser classificadas em sobretensões impulsivas, sobretensões de manobra e sobretensões oriundas de condições anormais na frequência industrial. Ainda segundo Araújo e Neves (2005), o estudo das sobretensões é fundamental, uma vez que traz subsídios para o estudo de coordenação de isolamento de linhas e subestações e dimensionamento de equipamentos. Estes estudos também influenciam diretamente na qualidade de fornecimento de energia.

O estudo de sobretensões é importante no caso de analises de aumento de tensão operativa de padrões pré-existentes, pois indica se o comportamento do padrão construtivo pode ser considerado adequado do ponto de vista de desempenho, bem como é possível analisar as limitações e os riscos operativos associados. A mesma linha de desenvolvimento pode ser adotada em linhas urbanas compactas, como as descritas por Hoffmann et al. (2010), Prosdócimo e Mokdese (2001) ou supercompactas, descrita por Souza e Casagrande (2016), de modo a analisar em que condições a sobretensão oriunda de transitórios eletromagnéticos (descarga atmosférica, manobra e curto circuito) pode comprometer o isolamento da linha, ocasionando seu desligamento. O trabalho desenvolvido por EPRI (1978) mostra as características e comportamento frente a transitórios de alguns padrões construtivos de linhas compactas, mas nenhum deles é exatamente igual aos padrões descritos por Hoffmann et al. (2010) e Souza e Hoffmann (2013), sendo então pertinente sua investigação mais aprofundada.

(24)

não é prático de ser estudado através de experimentação real. O uso de programas computacionais como ferramentas de análise auxiliam os engenheiros na compreensão do comportamento dos diversos componentes do sistema elétrico em condições de regime permanente ou em condição transitória, sejam de origem eletromagnética ou eletromecânica. Tais programas computacionais permitem que sejam modelados os diversos componentes do sistema elétrico de potência, desde transformadores, linhas de transmissão, motores, geradores, chaves, para-raios entre outros. Esses programas computacionais são importantes ferramentas para o cálculo do comportamento em regime permanente ou diante de transitórios eletromagnéticos, sendo também conhecidos como EMTP (Electromagnetic Transient Program) (HAGINOMORI et al., 2016).

1.7 ORGANIZAÇÃO DO DOCUMENTO

O capítulo 1 do presente trabalho descreve e delimita o problema a ser abordado e analisado. Pautado no referencial teórico, é possível verificar os principais conceitos que serão melhor explorados nos capítulos seguintes.

Uma visão geal sobre linhas aéreas de transmissão de energia é melhor detalhado no decorrer do capítulo 2.

O capítulo 3 traz uma abordagem mais detalhadas sobre linhas aéreas compactas urbanas desenvolvidas pela Copel, suas características construtivas e suas aplicações.

O capítulo 4 versa sobre os transitórios eletromagnéticos, abordando seus conceitos, tipos, mecanismos físicos e seus impactos sobre o sistema elétrico de potência. No capítulo 5 é discutido o modelamento de linhas de transmissão com o uso do ATPDraw. Neste capítulo também é apresentado o modelo mais adequado para cada transitório a ser estudado.

No capítulo 6 são apresentados os resultados das simulações, com destaque para as sobretensões resultantes e seus impactos no isolamento da linha de transmissão, verificando eventual ocorrência de rompimento do dielétrico dos isoladores ou do ar.

Assim, no capítulo 7 são apresentadas, então, as conclusões sobre os dados obtidos pelos modelos desenvolvidos, buscando identificar, além da caracterização do desempenho do padrão construtivos, também as limitações de aplicação prática dessas linhas de transmissão.

(25)

aéreas e o apêndica B relaciona as publicações geradas ao longo do desenvolvimento desta dissertação.

(26)

2 LINHAS AÉREAS DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

A história das linhas de transmissão de energia elétrica começa de forma discreta, no início do século XIX. O desenvolvimento do telégrafo elétrico, ainda utilizando eletricidade estática, por Sir Francis Ronalds em 1816, resultou no desenvolvimento de meios mais elaborados de comunicação através do uso de condutores metálicos onde circulava corrente elétrica proveniente de uma bateria, até o desenvolvimento dos primeiros telégrafos comerciais por Charles Wheatstone e William Fothergill Cooke em 1838. De fato, além de proporcionar a comunicação em linhas férreas, o desenvolvimento do telégrafo teve outra grande contribuição: o desenvolvimento das atuais linhas de transmissão e da própria engenharia elétrica (BOWERS, 1982).

A distribuição de energia elétrica no início dos anos 1880 era, basicamente, destinada à iluminação pública e viabilizada por empresas particulares. Tendo em vista as limitações tecnológicas da época, as linhas de distribuição, na tensão de atendimento, eram bastante curtas e precárias (BOWERS, 1982).

A produção de energia elétrica em larga escala somente foi possível após os estudos mais aprofundados na área de eletromagnetismo, possibilitando o desenvolvimento do transformador elétrico (BOWERS, 1982). Esse desenvolvimento proporcionou que a energia gerada pudesse ser transmitida à longas distâncias sem que houvesse quedas de tensão significativas, ou seja, com menores perdas.

A primeira linha de transmissão trifásica do Mundo, segundo Fuchs (1977), foi construída na Alemanha, em 1888, com cento e oitenta quilômetros de comprimento e tensão de onze mil volts. Já a primeira linha em corrente alternada nos Estados Unidos surgiria somente em 1890, no Oregon, operando em 3,3kV, monofásica e com vinte quilômetros de comprimento (LABEGALINI et al., 1992).

De acordo com Fuchs (1977), no Brasil, a primeira linha de transmissão foi construída em 1883 em Diamantina, Minas Gerais. Esta linha tinha aproximadamente dois quilômetros de comprimento e sua função era escoar a energia do primeiro aproveitamento hidrelétrico do Brasil, a Usina do Ribeirão do Inferno, construída para fins particulares de extração de diamantes (Exército Brasileiro, 1977). À exemplo da Europa, inicialmente o consumo de energia no Brasil era essencialmente para atendimento à iluminação pública ou empreendimentos particulares e, posteriormente, para alimentação de bondes elétricos (Exército Brasileiro, 1977).

(27)

Siqueira et al. (1994) descreve com detalhes o cenário brasileiro e, principalmente, paranaense em que as primeiras usinas foram instaladas. A energia elétrica produzida no Paraná no final do século XIX era fruto de um cenário heterogêneo, englobando autoprodutoras e concessionárias municipais. Era uma característica marcante da época a geração de energia em regiões muito próximas do centro de consumo. Existiam tanto usinas de aproveitamento termoelétrico como hidroelétricas. Em geral, as concessionárias atendiam locais urbanizados, enquanto que nas regiões rurais eram predominantes as autoprodutoras. Em Curitiba, a primeira usina termoelétrica a diesel instalada foi a Usina Capanema, em 1889, a mais antiga do Estado. Esta usina foi cedida em 1890 à Companhia Água e Luz de São Paulo, juntamente com a concessão da iluminação pública. Entretanto, os problemas relativos ao serviço de iluminação pública não foram totalmente sanados por meio dessa concessão, e a usina foi então adquirida pelo imigrante alemão José Hauer em 1898, tradicional industrial da cidade.

Ainda conforme Siqueira et al. (1994), a instalação das fábricas também passou a ser ao lado de quedas d‘água, justificadas principalmente pelo alto custo para implantação das usinas e o aproveitamento direto da energia gerada. Somente com o advento das linhas de transmissão foi possível a instalação de usinas em locais mais distantes, proporcionando a interiorização e dispersão das indústrias.

As linhas de transmissão são os elementos-base responsáveis pelo transporte de energia elétrica (FUCHS, 1977). As linhas de transmissão têm como função principal o transporte de energia entre as usinas geradoras e os centros de consumo, podendo ser classificadas como linhas de transmissão ou subtransmissão. As linhas de transmissão possuem, conforme Fuchs (1977), as maiores tensões do sistema1, interligando centros de produção de energia. As linhas de transmissão chegam a subestações abaixadoras regionais, que são responsáveis pela adequação do nível de tensão para tensões mais baixas, ou de subtransmissão. As linhas de subtransmissão tem como função a distribuição da energia transportada pelas linhas de transmissão, tendo como pontos de conexão os barramentos das subestações regionais e as subestações abaixadoras locais.

Assim como Fuchs (1977), na presente pesquisa será adotado de forma genérica o termo “linha de transmissão” para designar tanto linhas de tranmissão como subtransmissão.

(28)

2.1 COMPONENTES DAS LINHAS DE TRANSMISSÃO AÉREAS

O desempenho elétrico das linhas de transmissão está diretamente relacionada com seus componentes, possuindo os seguintes componentes principais (LABEGALINI et al., 1992):

• Estruturas de suporte; • Cabos condutores;

• Estruturas Isolantes (Isoladores); • Aterramentos;

• Cabos guarda ou cabos para-raios; • Fundações;

• Acessórios diversos.

A Figura 1 mostra alguns desses elementos.

Figura 1: Componentes de linha de transmissão aérea.

(29)

2.1.1 ESTRUTURAS DE SUPORTE

Labegalini et al. (1992) afirma que os suportes, ou estruturas, desempenham duas funções principais nas linhas de transmissão:

• Proporcionam um ponto de fixação para os cabos condutores, através das estruturas isolantes, garantindo a esse a distância de segurança necessária para operação de forma segura.

• Fixam, através das fundações, a linha ao terreno, transferindo as solicitações mecânicas existentes nas linhas para o solo, garantindo sua estabilidade mecânica.

De acordo com Kiessling et al. (2002), os suportes podem ser torres ou postes, e a forma como os condutores são fixados nas estruturas dependem da função do suporte dentro do sistema de transmissão. Em suportes de suspensão, os condutores são fixados através de cadeias de isoladores em suspensão ou isoladores do tipo linepost. Já nos suportes de ancoragem, os condutores são fixados através de cadeias ou isoladores específicos para esse fim.

Os suportes de suspensão não transferem as tensões mecânicas dos condutores para as estruturas, sendo dimensionadas para suportar aos esforços verticais devido ao peso do cabos, isoladores e demais ferragens (KIESSLING et al., 2002). Devem, entretanto, resistir também à esforços horizontais transversais devido à ação do vento sobre os cabos, isoladores e sobre seus próprios elementos (LABEGALINI et al., 1992). Este tipo de estrutura é o mais frequentemente empregado em linhas de transmissão.

Já as estruturas de ancoragem têm a responsabilidade de manter os cabos tensionados. São empregados frequentemente no início e fim das linhas (designadas como ancoragem fim de linha) ou em pontos intermediários, com trações equilibradas à frente e à ré. São solicitadas pelas forças axiais longitudinais da linha de transmissão, sendo, usualmente, mais solicitadas mecanicamente do que as estruturas de suspensão, sendo, portanto, mais reforçadas (LABEGALINI et al., 1992).

2.1.1.1 MATERIAIS PARA SUPORTE PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO

Segundo Labegalini et al. (1992), os materiais empregados para a construção de estruturas de suporte são os seguintes:

(30)

• Concreto armado com armadura convencional (vibrado ou centrifugado); • Concreto armado com armadura para pré-tensionamento;

• Madeira natural, imunizada ou laminados de madeira.

Ainda segundo Labegalini et al. (1992), o aço é o material que permite a maior variedade de forma e tipos de estruturas, desde as convencionais estruturas treliçadas até estruturas tubulares. As estruturas de aço devem ser protegidas de corrosão, sendo o método mais frequente para esse fim a galvanização a quente, pelo qual se recebe uma camada de zinco através de imersão das peças em zinco fundido. Outro método é o uso de aço patínável, o qual possui corrosão muito lenta, mantendo suas características mecânicas por tempo elevado. As Figuras 2 e 3 mostram exemplos de estruturas metálicas para linhas de transmissão do tipo torre e poste.

Figura 2: Torre treliçada metálica utilizada em linhas de transmissão.

Fonte: acervo do autor

O concreto armado também é bastante empregado em linhas de transmissão, mesmo em linhas de tensão de 500kV. A facilidade de obtenção de qualquer forma de seção o torna muito versátil. Entretanto, as seções mais frequentemente empregadas são

(31)

Figura 3: Estrutura monotubular metálica utilizada em linhas de transmissão.

Fonte: Steelmast (2019)

as circulares, que podem ser obtidas por método de vibração ou centrifugação. Dado seu grande peso, seu uso, por razões econômicas, fica restrito a locais de fácil acesso por meio de meios de transporte convencionais (LABEGALINI et al., 1992). A Figura 4 mostra a estrutura interna de um poste de concreto armado utilizado em linhas de transmissão.

A madeira é adotada, segundo Kiessling et al. (2002), em países em que há abundância desse material e de boa qualidade, como países da América do Sul, América do Norte e Austrália. A foto 5 mostra uma estrutura tipo H na região de Vernon, Canadá.

(32)

Figura 4: Poste de concreto armado de seção circular e sua ferragem interna.

2.1.1.2 DISPOSIÇÃO DOS CONDUTORES NA ESTRUTURA

A disposição dos condutores na estrutura pode ser horizontal, vertical ou triangular (LABEGALINI et al., 1992).

A disposição horizontal ocorre quando todos os condutores fase de um mesmo circuito estão em um plano horizontal. Essa disposição é empregada em todos os níveis de tensão e preferencialmente em linhas de circuito simples (apenas um circuito). A Figura 5 mostra um exemplo de disposição vertical de condutores.

Na disposição vertical os condutores fase de um mesmo circuito estão posicionados em um mesmo plano vertical. Tipicamente, essa disposição de condutores é empregada em linhas de transmissão com limitações da largura da faixa de servidão e em linhas que precisam acompanhar vias públicas. Podem ser empregadas em linhas de circuito simples ou circuito duplo, tendo como característica uma faixa de servidão reduzida em relação à disposição horizontal, como é visto na Figura 6.

(33)

Figura 5: Estrutura tipo H construída em madeira na região de Vernon, Canadá.

Figura 6: Disposição vertical, circuitos simples e duplo.

Fonte: adaptado de (LABEGALINI et al., 1992)

A disposição triangular caracteriza-se, ainda conforme Labegalini et al. (1992), pelo posicionamento dos condutores segundo os vértices de um triângulo. Essa disposição é empregada em todos os níveis de tensão, resultando em estruturas de alturas intermediárias em relação às disposições horizontal e vertical. Também pode

(34)

ser empregada em linhas de circuito simples ou duplo, como observado na Figura 7. Figura 7: Disposição triangular circuitos simples e duplo.

Fonte: adaptado de (LABEGALINI et al., 1992)

2.1.2 CABOS CONDUTORES

2.1.2.1 CONDUTORES PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO AÉREAS

De acordo com Fuchs (1977), os condutores são os elementos ativos das linhas de transmissão e, para transporte de energia elétrica, precisam atender a alguns requisitos, conforme listados abaixo:

• Alta condutibilidade elétrica: ou seja, baixas perdas por efeito Joule;

• Baixo custo: Por se tratar de um elemento que representa um percentual considerável do custo total de uma linha de transmissão, o custo é um fator importante a ser observado. Segundo Southwire (2018), os condutores representam entre 20 e 30% do custo de uma linha de transmissão, informação essa corroborada por Saavedra e Frontin (2010), que indica entre 21% e 39%, dependendo da configuração da linha de transmissão;

• Boa resistência mecânica à tração: tal característica tem como objetivo garantir a integridade física da instalação;

• Baixo peso específico: O dimensionamento das estruturas e suas fundações está atrelado ao peso do condutor, sendo, portanto, desejável que o peso seja o menor possível;

(35)

• Alta resistência a corrosão: tem também como resultado final a garantia da integridade física da instalação.

Para atendimento a todos esses requisitos, os materiais que tem melhor desempenho são o cobre e o alumínio (FUCHS, 1977). Ainda segundo Fuchs (1977), o cobre dominou, durante muito tempo, o mercado de linhas de transmissão, sobretudo por seu preço mais competitivo em relação ao alumínio à época e também por sua maior resistência mecânica. Em 1908, o alumínio passou a ser mais competitivo sob o aspecto da resistência mecânica e custo, pois nesse ano foi inventado o condutor do tipo ACSR (Aluminum Conductor Steel Reinforced), no Brasil conhecido como CAA (Condutor de Alumínio com Alma de aço), o qual possui um núcleo formado de fios de aço galvanizado, e, até hoje, é o principal tipo de condutor utilizado em linhas de transmissão, sendo que mais de 80% das linhas de transmissão aéreas foram construídas com esse tipo de condutor (SOUTHWIRE, 2018). Os condutores de alumínio, com ou sem alma de aço, tem sido usados em linhas de transmissão há mais de 80 anos (CIGRE, 2008). A Figura 8 apresenta, para o ano de 2016, a variação do preço do cobre e alumínio para compra do tipo cash buyer em US$/t.

Figura 8: Variação anual do preço do alumínio e cobre.

Fonte: The London Metal Exchange, 2017

Segundo Southwire (2018), no processo de projeto de uma linha de transmissão, as principais decisões frequentemente envolvem a seleção dos condutores fase e para-raios. A seleção dos condutores é muito importante na medida que o vento, gelo e tracionamentos suportados pelas estruturas tem relação direta com o diâmetro e tipo dos condutores selecionados. A altura das estruturas também depende do condutor, uma vez que a flecha apresentada na temperatura máxima de operação depende de certas características do material utilizado para construção do condutor como, por exemplo, seu comportamento

(36)

sob fluência. Flecha é a curva formada por um cabo quando fixado em um suporte e pode ser represetada por uma parábola ou uma catenária (KIESSLING et al., 2002).

Ainda segundo Southwire (2018), os condutores fase e para-raios consistem em múltiplos fios de alumínio, cobre ou aço, embora o uso de cobre em linhas de transmissão modernas seja incomum. Os condutores de alumínio nus são classificados em condutores homogêneos e não homogêneos. Os condutores homogêneos são aqueles em que todos os fios que compõe o cabo são de mesmo material. Os condutores homogêneos fabricados com alumínio relativamente puro (99,5%) são chamados de Condutores de Alumínio (CA, em inglês AAC - All Aluminum Conductor ). Aqueles fabricados com liga de alumínio são chamados de Condutores de Alumínio Liga (CAL, em inglês AAAC - All Aluminum Alloy

Conductors).

Os condutores não homogêneos são aqueles construídos com diferentes materiais. O condutor CAA, já mencionado acima, é um condutor não homogêneo, pois é composto de fios de alumínio em sua coroa e fios de aço no seu núcleo (ou alma). Outro exemplo de condutor não homogêneo é o condutor composto de alumínio relativamente puro e alumínio liga, chamados de Condutores de Alumínio com Liga de Alumínio (CALA, em inglês ACAR - Aluminum conductor, Alloy reinforced). O alumínio utilizado para a fabricação dos condutores CA e CAA são da liga 1350 com tratamento por deformação plástica a frio H19 para aumento da resistência mecânica a tração. Já as ligas de alumínio, utilizadas nos condutores CAL e CALA podem ser liga 6201 (T81) ou 1120. Essas ligas têm como objetivo conferir ao cabo maior resistência mecânica a tração do que o alumínio comum, porém com menor peso se comparado ao aço (HOFFMANN et al., 2015).

O alumínio liga 1350 possui resistividade elétrica típica entre 61% e 62% IACS 2, enquanto que a liga 6201 possui resistividade de 52% IACS, resultando em um condutor com maior tração de ruptura, mas com menor condutividade e, por consequência, maiores perdas. A liga 1350, a mais comum, apresenta temperatura máxima de operação de 94◦C, temperatura na qual se inicia o processo de recozimento. Isto justifica o uso de ligas de aluminio com maior temperatura de operação em linhas em que é necessário maior carregamento, podendo chegar até 250◦C, como as ligas 1350-O e liga de alumínio com zircônio (SOUTHWIRE, 2018).

Tendo em vista que o condutor do tipo CAA é o mais comum até o momento da redação desta dissertação, como já mencionado acima, este será melhor detalhado nos 2_{A sigla IACS vem do inglês International Annealed Copper Standard, um padrão de referência para}

(37)

itens seguintes. A Figura 9 exemplifica a formação de alguns cabos CAA, onde destaca-se que a formação 24/7, por exemplo, significa 24 fios de alumínio e 7 de aço (Steel ).

2.1.2.2 ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS CONDUTORES CAA

Os condutores CAA são fabricados utilizando fios de alumínio com alto grau de pureza (99,5%), uma liga conhecida como 1350 e fios de aço galvanizado, em geral com seção circular. A relação entre a quantidade de fios de alumínio e fios de aço determina a resistência mecânica e a condutividade do cabo completo (ABNT, 2009).

Figura 9: Condutores CAA, com alma de aço galvanizado.

Fonte: adaptado de (SOUTHWIRE, 2018)

Há, também, condutores CAA cujos fios de alumínio têm seção trapezoidal (CAA/TW) (Figura 10). Esses condutores tendem a apresentar menores perdas, pois a área de alumínio é maior do que o condutor de fios circulares, em torno de 20% (SOUTHWIRE, 2018).

Atualmente também está sendo disseminada a tecnologia dos cabos OPPC (Optical Phase Cable), mostrados na Figura 11. Estes cabos possuem um conjunto de fibras óticas no seu interior semelhantes aos cabos OPGW. As fibras internas podem ter diversas aplicações, como transmissão de dados ou monitoramento da temperatura de operação ou da integridade do condutor (ROSOLEM et al., 2018).

A resistência elétrica do condutor, conforme explanado por Southwire (2018), determina suas perdas e sua capacidade máxima de corrente. Já as reatâncias capacitivas e indutivas do condutor afetam diretamente a performance do sistema. A condutividade do metal, a área de seção transversal, a construção, temperatura do cabo, frequência e a densidade de corrente determinam as propriedades elétricas do condutor, que serão explanadas nos itens seguintes.

(38)

Figura 10: Condutores CAA, com alma de aço galvanizado e tentos externos Trapezoidais.

Fonte: Acervo do autor

Figura 11: Tecnologia de cabo fase com fibras óticas internas.

Fonte: KSD Fiber Cable (2019)

2.1.2.3 RESISTÊNCIA CC DE CONDUTORES PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO

A resistência elétrica em corrente contínua de um condutor é função de sua área de seção transversal, comprimento e resistividade volumétrica do material com o qual o condutor foi fabricado. A relação entre esses parâmetros é dada pela equação 1.

R = ρV

_L

A

(39)

Para a qual:

R = Resistência elétrica do condutor, Ω/m;

ρv é Resistividade volumétrica do material, Ω.mm2/m;

L = Comprimento do condutor, m;

A = área da seção transversal do condutor, mm2.

A resistência elétrica de um material é função, também, da sua temperatura. Assim, a resistência calculada através da equação 1 é resultado da resistividade elétrica do material em dada temperatura de referência, tipicamente 20oC.

Para obter a resistência elétrica de um condutor em temperatura diferente da temperatura de referência da resistividade do material, se faz necessária sua correção através da aplicação da equação 2:

RT 2= RT ref[1 + αref(T2− Tref)] (2)

Para a qual:

α_ref = coeficiente de variação da resistência elétrica em função da temperatura do material, na temperatura de referência Tref, igual a 0,00404 para o alumínio de

condutividade 61,2% IACS à 20oC;

Tref = temperatura de referência, oC ;

T2 = Temperatura em que se deseja calcular a resistência elétrica, oC;

RT ref = resistência em corrente contínua na temperatura de referência Tref, Ω;

RT 2 = resistência em corrente contínua na temperatura T2, Ω;

Como mencionado por Southwire (2018), para temperaturas entre 0oC e 140oC,

a relação entre resistência e temperatura é linear. Para temperaturas acima de 140oC, há

evidências de que a relação tem comportamento não linear.

A determinação da temperatura final à que um condutor está submetido é, no entanto, um estudo bastante complexo e alguns modelos matemáticos foram desenvolvidos. Um dos modelamentos matemáticos apresentados por CIGRE (2002) é baseado no equilibrio térmico do condutor. O modelo matemático parte da equação 3 para determinar a temperatura final de um condutor.

(40)

PJ+ PM+ PS+ Pi= PC+ Pr+ Pw (3)

onde:

PJ: Aquecimento Joule, causado pela corrente circulante;

PM: aquecimento magnético, causado pelo campo magnético;

PS: aquecimento solar;

Pi: aquecimento corona;

PC: resfriamento convectivo, causado pelo vento;

Pr: resfriamento por radiação;

Pw: resfriamento por evaporação.

2.1.2.4 RESISTÊNCIA CA DE CONDUTORES PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO

A resistência elétrica de condutores em corrente alternada é maior do que a resistência observada para corrente contínua, a essa relação dá-se o nome de “razão ac/dc”. Este incremento de resistência elétrica é resultante do campo magnético gerado pela corrente alternada, sendo que se destacam o efeito pelicular, o efeito de proximidade e a histerese magnética do núcleo, este último presente nos condutores CAA (SOUTHWIRE, 2018).

O efeito pelicular, ou skin effect em inglês, sempre está presente em um condutor submetido a corrente alternada, e é função dos fluxos internos presentes no condutor. A corrente alternada tende a fluir próximo à região externa do condutor, aumentando, dessa forma a densidade de corrente nessa região, que, por sua vez, aumenta a resistência das camadas internas do condutor. Para condutores que sejam fabricados ou possuam material ferromagnético, esse efeito é mais pronunciado. Nesse caso, o condutor não homogêneo deve ser tratado como um cilindro oco, e a relação entre o diâmetro externo e interno é utilizada para a determinação do efeito pelicular. Em Southwire (2018) é apresentado o ábaco da figura 12, utilizado para a determinação da relação ac/dc, e, portanto, a estimativa do incremento da resistência em função do efeito pelicular.

Este ábaco relaciona o raio externo e o raio interno (ou seja, o raio da alma de aço) do condutor, dado que seleciona a curva a ser considerada. O eixo inferior faz a relação da resistência em corrente contínua com a curva selecionada, resultando no incremento

(41)

Figura 12: Ábaco para determinação do incremento de resistência em função do efeito pelicular.

Fonte: (SOUTHWIRE, 2018)

da resistência quando em corrente alternada, observada no eixo vertical em forma de um fator de valor maior que a unidade.

Outro aspecto importante a ser considerado no cálculo da resistência em corrente alternada de um condutor é o efeito da proximidade. Quando condutores submetidos a correntes alternadas estão suficientemente próximos, as induções mútuas entre eles alteram a distribuição de corrente na seção transversal, resultando em maiores densidades de corrente na região próxima ao outro condutor, aumentando, assim, sua resistência.

(42)

Entretanto, os condutores instalados em linhas de transmissão estão suficientemente afastados, permitindo que este efeito seja desprezado no cálculo da resistência em corrente alternada.

O efeito de histerese magnética está presente em condutores com alma (ou núcleo) fabricado em aço e operando com correntes elevadas. Para baixas correntes, esse efeito pode ser negligenciado, porém, para correntes próximas à capacidade do condutor, esse efeito passa a ser significante. Os condutores CAA possuem, assim como os demais condutores de alumínio para linhas de transmissão, diversas camadas em sua coroa. A camada mais externa apresenta o encordoamento à direita, se opondo ao encordoamento da camada imediatamente inferior (à esquerda) e assim sucessivamente. Quando o número de camadas da coroa é em número par, o campo magnético axial produzido por uma camada tende a ser anulado pelo campo da camada adjacente. Porém, se o número de camadas da coroa é número ímpar, esse cancelamento de campos magnéticos não ocorre. O campo magnético resultante tende a magnetizar o núcleo, resultando em perdas magnéticas no núcleo e aumentando a resistência do condutor. Em condutores CAA com uma única camada (formações 6/1, 7/1, 6/7, 12/7) e para correntes próximas à capacidade do condutor, as perdas podem ocasionar aumento da resistência da ordem de 20%. Já em condutores com três camadas, o incremento de resistência não ultrapassa 6% (SOUTHWIRE, 2018).

Em resumo, CIGRE (2008) relaciona os principais aspectos que devem ser observados para a correta determinação da resistência em corrente alternada de condutores aéreos:

• Resistência em corrente alternada; • Temperatura;

• Efeito pelicular; • Perdas no núcleo.

2.1.3 ISOLADORES

Os isoladores são os elementos responsáveis pela conexão mecânica entre os condutores fase e a estrutura aterrada do suporte, sendo solicitados mecânica e eletricamente.