EXPERIÊNCIA MUNDIAL EM LINHAS DE ALTA CAPACIDADE

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1 Seminário Transmissão de Energia Elétrica a Longa Distância EXPERIÊNCIA MUNDIAL EM LINHAS DE ALTA CAPACIDADE TECNOLOGIAS DISPONÍVEIS & PESQUISAS EM ANDAMENTO 05 de Outubro 2007 Recife, Brasil João B. G. Ferreira da Silva jbgfsilva@damp.com.br

2 Conteúdo 1. Introdução 2. LT s de Alta Capacidade: Conceito 3. A Evolução da Ultra Alta Tensão (UHV) 4. Os Sistemas UHAV em Operação 5. As iniciativas Pós Itaipu 6. Os avanços no Brasil 7. Projetos em Implantação 7.1 Pesquisa & Desenvolvimento 7.2 Projeto em Acompanhamento no Japão 7.3 Projetos em Estudos / Implantação na Índia 7.4 Projetos em Execução na China 8. Conclusões Referências: Régis, O.; Fröhlich, K; Yinbiao, S.; Lerch, E. et al.; Colombo, E.; Macharey, U.; Nakamura, A.; Yonguei, L; Zehong, L. et al.; Nayak, R.N.; Sasmal, R.P.; Lordan, R.

3 1. Introdução One of the dilemmas facing governments and utilities today is how to supply large amounts of electrical energy for growing populations in a way that is both efficient and has a minimal impact on the environment. In those countries, such as Brazil, China and India, the challenge lies in getting the electricity from the power generating stations thousands of kilometers away to the urban populations. "Ultra high voltage" offers the potential to meet this challenge. International Symposium on International Standards for Ultra High Voltage, Beijing, China, Julho de 2007

4 2. LT s Alta Capacidade: Conceito Ampacidade ou Limite Térmico Equação de equilíbrio térmico: o cabo ganha calor por corrente (efeito Joule) e por insolação; libera calor por convecção (vento) e irradiação 2 RI + Q = Q + Q s c i d Ao se aumentar a corrente o cabo aquece, dilata, aumenta a flecha, e reduz a distância de segurança (d), havendo portanto uma limitação desta corrente máxima: Fator limitante geralmente em linhas curtas

5 2. LT s Alta Capacidade: Conceito Potência Natural ou SIL (Surge Impedance Loading) SIL = V 2 /Z, onde V é a tensão e Z é a impedância V P Quanto menor Z, maior o SIL Z V C/2 C/2 Quando circula na linha uma potência (P) igual ao seu SIL, existe o equilíbrio entre a energia reativa gerada pela capacitância (C) e a energia consumida pela impedância série (Z), e não há queda de tensão. Estudos de sistemas exigem instalação de reatores, que reduzem o SIL efetivo, e impõem redução da potência máxima da linha: Fator limitante em linhas de longa distância

6 3. A evolução da UHV voltage [kv]. transmission forecast 1973 forecast AC 1973 AC DC DC year

7 3. A evolução da UHV Sistemas de EHV e UHV AC foram construídos nos últimos anos: - Nível voltagem de 735 a 765kV AC: Canadá, Brasil, Rússia (URSS), África do Sul, Coréia do Sul, EUA e Venezuela - Linhas de Transmissão de 1000 e 1200kV AC: Japão: LT s 1000kV-1100kV (*) Minami Niigata / Nishi Gunma (200 km) Kita Tochigi / Minami Iwaki (250 km) Rússia: LT s 1100kV-1200kV Ekibastuz Kokchetav (500 km) Kokchetav Kustanay (400 km) * Hoje estes sistemas são operados em 500kV - Ainda hoje os sistemas UHV de maior voltagem operados no mundo são os de ITAIPU: 765kV AC e ± 600kV DC

8 3. A evolução da UHV 19 m 15.5 m 16 m 48 m 16.5 m Line conductors Air gap clearance phase-earth [m] Kita Iwaki 8 x 31,5 mm ACSR 6,5 Ekibastuz Kokchetav 8 x 24.1 mm AS-330 8

9 3. A evolução da UHV Thermal Rating (MVA) Thermal Rating 765 kv Line 1200 kv Line RO W (m ) Right of way Requirement 765 kv Line 1200 kv Line Estimated Line Cost [Rs million/km ] Capital Line Cost 765 kv Line 1200 kv Line times approx. 55 % 2.2 times SIL (MW) Surge Impedance Loading 765 kv Line 1200 kv Line Pow er Flow - SIL per unit RO W (MW/m) Right of Way Utilization 765 kv Line 1200 kv Line Line Cost per SIL [Rs/km.MW] Cost Effectiveness 765 kv Line 1200 kv Line times 2 times approx. 70 %

10 3. A evolução da UHV km DC 2000 km AC cost [MUSD] km DC km AC voltage [kv]

11 3. A evolução da UHV km AC 10 Losses [%] km DC 2% more than t CO 2 equivalent /year 1000 km DC 1000 km AC Voltage [kv]

12 4. Os sistemas UHV em operação - Hydro-Québec 735kV (Canadá) - American Electric Power AEP 765kV (EUA) - Linhas russas de 750kV e 1150kV - Eletrificación del Caroni EDELCA 765kV (Venezuela) - FURNAS 765kV (Brasil) - New York Power Authority 765kV (EUA) - ESKOM lines 765kV (África do Sul) - Power Grid Corporation of India PGCIL 765kV (Índia) - Korean Electric Power KEPCO 765kV (Coréia do Sul) - Tokyo Electric Power TEPCO 1000kV (Japão) AEP 735kV FURNAS 765kV

13 4. Os sistemas UHV em operação Conclusões - Duas linhas com 1000kV construídas, mas nenhuma operando neste nível - Projetos variam consideravelmente. Novos projetos devem ser baseados na experiência dos antigos - Revisão Critérios de Confiabilidade: Vento / Gelo - Espaçadores amortecedores necessitam especial atenção - Feixe de condutores e anéis de corona necessitam cuidadosos estudos - Refinamento dos parâmetros de projeto para surto de manobra e descarga atmosférica - Procedimentos de restauração em emergência em paralelo com o projeto de linhas KEPCO 765kV ESKOM 765kV

14 5. As iniciativas pós ITAIPU Pós ITAIPU: período de estagnação - Fatores políticos e econômicos: - Falta crescimento econômico nos países desenvolvidos - Faltam recursos para investimento nos países em desenvolvimento - Dificuldades políticas para mudanças - Iniciativas: - Rússia, Japão, Itália - Linha corona 1000kV/CEPEL - Expectativa frustrada

15 5. As iniciativas pós ITAIPU RÚSSIA: Projeto 1150 kv - Estação de teste de 1150kV e linha construídas em sub-condutores por fase - Algumas rupturas de isoladores por efeito de galope nos condutores - Projeto para 1/4 a 7/8 de camada de gelo - Torres tipo autoportante estaiadas em V

16 5. As iniciativas pós ITAIPU TEPCO s Service Area JAPÃO: Projeto TEPC0 s 1000kV - Area = km 2 - One-tenth of Japan s land area - TEPCO s demand - 60 GW - One-third of Japan s total demand - 70% of the demand - Within 40km radius of Tokyo 40km Tokyo

17 5. As iniciativas pós ITAIPU - North-South route (190km) Construction by 1993 Kashiwazaki- Kariwa Minami-Iwaki Fukushima - East-West route (240km) Higashi- Gunma Nishi- Gunma Shin-Imaichi Construction by 1999 Tokyo Higashi- Yamanashi

18 5. As iniciativas pós ITAIPU UHV Transmission Tower and Line

19 5. As iniciativas pós ITAIPU Why 1100kV was selected as the Highest Voltage of UHV in Japan Double circuit lines must be used even for UHV transmission. The acquisition of ROW is difficult in a country where land space is narrow. UHV transmission lines go through mountainous areas. A more compact tower is more advantageous. 1100kV was preferred. 1100kV was also estimated to have an economic advantage. Next page

20 5. As iniciativas pós ITAIPU Adoption of 1100kV as The Highest AC Voltage Highest Voltage (kv) Number of Circuits per Route Number of Routes Transmission Capacity GW (Insufficient) 10GW >10GW >10GW Technical Feasibility Easy Feasible Feasible Difficult Total Construction Cost Tower Height (m)

21 5. As iniciativas pós ITAIPU - ENEL: The Italian 1000kV Project - The research ( ) - The realization ( ) - The commissioning ( ) - The service ( )

22 5. As iniciativas pós ITAIPU The Italian 1000kV Project - Quasi flat conductor configuration - Insulating catenary - Conductors: 8 aluminum 31.5mm - Insulator: cap-and-pin - Crossarm less (CRS): Guyed structure - Masts: lattice structured - Guy: a pair of steel wires - Foundation: different types

23 6. Os avanços no Brasil - As LT s EHV 500 AC surgiram no Brasil no final dos anos 60 / anos 70: - LT s Furnas / Marimbondo / Itumbiara: Furnas - LT s 460kV Ilha Solteira: CESP - LT s 500kV São Simão: CEMIG - LT s 500kV P. Afonso / Camaçari: CHESF - LT s 500kV J. Lacerda: Eletrosul - Final anos 70 UHE Itaipu (Furnas): LT s 765kV AC e ± 600kV DC LT 500kV S. Simão: CEMIG

24 6. Os avanços no Brasil - Anos 80 surgem as LT s 500kV compactas / sistema Tucuruí com cerca 20% aumento do SIL (Eletronorte) - Final dos anos 80 russos propõem linhas HSIL - Início anos 90 começam estudos LPNE (CHESF, FURNAS, CEPEL) no Brasil - Final década de 90 construída 1ª LT HSIL no Brasil: LT 500kV P. Dutra / Fortaleza (CHESF) com feixes assimétricos e 25% aumento SIL /2003 Furnas constrói LT 500kV Cach. Paulista / Adrianópolis com feixes expandidos simétricos (1200mm) /2007 Estudos P&D Fexcom Furnas e Linhas LNC Fexcom (Portela) ITAIPU ± 600kV DC

25 6. Os avanços no Brasil 500kV Flat Guyed 4 Rook Conductor SIL: 1000 MW 500kV Compact Line 4 Rail Conductor SIL: 1200 MW CIEN ELETRONORTE

26 6. Os avanços no Brasil 500kV Compact Cross-rope 4 Rail Conductor SIL: 1200 MW ELETRONORTE 500kV HSIL Lines 4 Rail Conductor SIL: 1250 MW (P. DUTRA FORTALEZA) CHESF

27 6. Os avanços no Brasil 4 Rail Conductor 500kV Expanded Bundle SIL: 1200 MW (CACHOEIRA PAULISTA ADRIANÓPOLIS) FURNAS 500kV FEXCOM Cross-rope 4 Rail Conductor SIL: 1500 MW FEXCOM ABB

28 6. Os avanços no Brasil Lateral Phase Central Phase 500kV CRS Compact HSIL Testes Lab. CEPEL 6 Rail Conductor SIL: 2200 MW P&D FURNAS

29 6. Os avanços no Brasil 800kV CRS Expanded LNC 8 Rail Conductor SIL: 4800 MW C. PORTELA L = 2500 km MASTS: Steel: ASTM A572 G50 Main Member: L125x10 Diagonals: L45x4 Cross-Rope: φ 1 ¾ Guy: φ 1 5/8 Weight: 10.8ton

30 7.1. Pesquisa & desenvolvimento Key results of engineering research - Beginning research on Speeding-up at the end of Building-up three UHV test bases - Systematic research for engineering application 1200 kv AC Test Line Wuhan-China

31 7.1. Pesquisa & desenvolvimento 800kV DC test base in Beijing

32 7.1. Pesquisa & desenvolvimento Mechanical test base in Beijing

33 7.1. Pesquisa & desenvolvimento 1000kV\1000MVA Auto transformer 1000kV\320Mvar Shunt reactor

34 7.1. Pesquisa & desenvolvimento 1000kV disconnectors, ES and bus

35 7.1. Pesquisa & desenvolvimento 6-inch thyristors UHVDC Valve

36 7.1. Pesquisa & desenvolvimento: impactos ambientais Global warming potential (GWP) of construction Overhead lines Transmission towers Ground wires Insulators CO2-Equiv. Emissions [t/a] kv AC 800 kv DC 1000 kv AC (J) 1000 kv AC (RUS, CN) Large cross-section (810 mm 2 ) for 1000kV AC (J) High amount of Aluminium Highest impacts due to the manufacture of 1000kV AC (J) Least impacts by 800kV DC transmission

37 7.1. Pesquisa & desenvolvimento: impactos ambientais GWP including transmission losses Transmission losses Overhead lines Transmission towers Ground wires Insulators CO2-Equiv. Emissions [t/a] kv AC 800 kv DC 1000 kv AC (J) 1000 kv AC (RUS, CN) Dominating effect: Impacts of power losses Estimated specific power-mix emissions of t CO 2 - equivalent/mwh Least losses with 800kV DC Lowest impacts by 800kV DC transmission

38 7.1. Pesquisa & desenvolvimento: impactos ambientais Transmission towers for the transmission systems Tubular construction of 1000kV AC (J) towers Highest amount of low-alloy steel Double Circuit layout for 1000kV AC (J) towers and extreme height Smallest right of way (38 m) A: 1000 kv AC (J); ROW: 38 m B: 800 kv DC; 2 parallel towers; ROW: 100 m C: 1000 kv AC (Rus, CN); 2 parallel towers; ROW: 200 m D: 420 kv AC; 5 parallel tower; ROW: 350 m A B C D

39 7.2. Projeto em acompanhamento no Japão UHV Transmission Tower and Line

40 7.2. Projeto em acompanhamento no Japão UHV Testing Facilities in Japan Full scale tower & lines for corona noise test. Akagi, CRIEPI Length: 600m Number of Towers: 3

41 7.2. Projeto em acompanhamento no Japão UHV Testing Facilities in Japan Full scale tower for switching impulse testing. Shiobara, CRIEPI 2 phases Maximum voltage: (1 st phase) 2.6MV, (2 nd ) 2.3MV

42 7.2. Projeto em acompanhamento no Japão UHV Testing Facilities in Japan Full scale conductor bundle for testing corona noise. Shiobara, CRIEPI Size of Cage; 8m 8m 24m Maximum voltage: up to 1200kV

43 7.2. Projeto em acompanhamento no Japão UHV Substation Equipment Test Site

44 7.2. Projeto em acompanhamento no Japão 1100kV Transmission Lines Current State of TEPCO s UHV 430 km UHV designed transmission lines had been constructed, and they are operated at 550kV. 1100kV Substation Equipment All necessary substation equipment has been energized in a field test yard since Upgrading to 1100kV Planned for mid-2010s.

45 7.3. Projetos em estudos/implantação na Índia Surplus Regions MW MW Indian Power Scenario At a glance MW Deficit Regions MW Installed Capacity : MW Peak Demand : MW Peak Availability : MW Energy growth : 8-9% / annum

46 7.3. Projetos em estudos/implantação na Índia Indian Power Grid - Present 765kV Lines Km 400kV Lines Km 220/132kV Lines Km HVDC bipoles: 3 HVDC back-to-back: 7 FSC 18 TCSC 6 - NER, ER, NR & WR operating as single grid of 90000MW - SR Grid 37GW - Inter-regional capacity: MW LAKSHADWEEP PONDA National Grid -Existing NR KOTA MALANPUR GWALIOR KOLHAPUR AGRA UJJAIN WR BELGAUM SR NAGJHARI KOLAR AURAIYA GORAKHPUR BALIA VINDHYACHAL CHANDRAPUR RAIPUR TALCHER 1000 BALIMELA MW U.SILERU KORBA Inter-Regional Capacity MW SAHU PURI MUZAFFARPUR PATNA SASARAM DEHRI BUDHIPADAR ROURKELA GAZUWAKA HVDC BIPOLE HVDC BACK-TO-BACK 765 kv 400 kv ER BIRPARA MALDA Legend ANDAMAN & NICOBAR NER BONGAIGAON SALAKATI 220 kv

47 7.3. Projetos em estudos/implantação na Índia Expansion of National Grid Physical Plan - BY New Transmission Lines km - 765kV km; 400kV km - New Substations kV 15 (1. GIS) ; 400kV 50 (6. GIS) - FSC HVDC System ± 800kV, 6000MW kV UHVAC SuperGrid overlying 400kV/765kV AC network - 2

48 7.3. Projetos em estudos/implantação na Índia Transmission System Through Chicken Neck Area Options: ±800kV HVDC: 8 ±800kV HVDC: 5; 765kV EHVAC: 6 LT s ±800kV HVDC: 4; 1200kV UHVAC: 2 LT s (adopted)

49 7.3. Projetos em estudos/implantação na Índia LT 1200 kv AC parameters Line Parameters of 1200kV/765kV/400kV Transmission System 1200kV 765kV 400kV Nominal Voltage (kv) Highest voltage(kv) Resistance (pu/km) x x x10-5 Reactance (pu/km) x x x10-4 Susceptance (pu/km) x x x10-3 Surge Impedance Loading (MW) Base kv :1200kV/765kV/400kV; Base MVA :100 MVA

50 7.3. Projetos em estudos/implantação na Índia 765kV Tower (existente) POWER GRID ÍNDIA 1200kV Tower (em implantação)

51 7.3. Projetos em estudos/implantação na Índia: ± 800 kv HVDC Basic Engineering Issues For Transmission Line - Type of Conductor: Lapwing - Number of Conductor: 6 - Conductor Height: 20m - Pole to Pole Spacing: 22m - Electric Field: 25kV/m - Ion Current Density: 100 Na/m 2

52 7.4. Projetos em execução na China Installed Capacity GW Years

53 7.4. Projetos em execução na China % % Installed capacity (GW) Electric energy (TWh)

54 7.4. Projetos em execução na China The total length of transmission lines of 220kV and above: longer than km. From 1996, both the total installed capacity and the annual power generation ranked the second in the world.

55 7.4. Projetos em execução na China Installed Generation Capacity (100GW) In Annual GDP: 4000 billion USD 12 Installed Capacity: >1000GW Electric Energy: >4600TWh

56 7.4. Projetos em execução na China Abundant in coal and hydro resources: Top Two in the world Play the dominant role in the power supply Lack of oil and gas: 10th and 22nd Reservation of resource in per capita term: 40% of the world average level

57 7.4. Projetos em execução na China The distribution of generation resources and power load is extremely unbalanced 2/3 of hydro power in the southwest; 2/3 of coal resource in the northwest; 65% of total power consumption in the east and coast areas.

58 7.4. Projetos em execução na China 东 北 西 北 华 北 Coal base Hydro power 西 藏 华 中 华 东 Load center 南 方 台 湾

59 7.4. Projetos em execução na China Voltage standard - UHV AC: 1000kV, max. 1100kV - UHV DC: ±800kV. Technical feasibility - Used in the engineering design - Partly demonstrated in test bases The application of 1000kV AC, and ±800kV DC with capacity of 6400MW is engineering practical Manufacturing ability of UHV equipment - Experience of 750kV AC equipments - Experience of HVDC equipments

60 7.4. Projetos em execução na China Preliminary consideration of the UHV AC grid in 2012

61 7.4. Projetos em execução na China Tentative plan and progress - As the kick-off action of UHV development, China will first construct 1000kV UHV AC pilot project and ±800kV UHV DC project. UHV AC pilot project - Purpose: Test the performance of UHV system Verify the reliability of equipment Optimization of research and design Realize commercial operation

62 7.4. Projetos em execução na China - UHV JINDONGNAN-NANYANG-JINGMEN : total length of line route is about 640km. The line pass plain, hill and mountain, altitude varying between 50m and 1300m. - Nominal voltage of 1000kV, maximum working voltage of 1100kV, expected transmission capacity of 5000MW and emergency capacity of 9000MW in future. - Construction work has beginning in 2006, and commissioning will be started at the end of 2008.

63 7.4. Projetos em execução na China Jindongnan: GIS (2CB); 1 set of 3*1000MVA transformer, and 1 set of 3*320MVar shunt reactor; Nanyang: HGIS (2CB); 2 sets of 3*240MVar shunt reactor; Jinmen: HGIS (2CB); 1 set of 3*1000MVA transformer, and 1 set of 3*200MVar shunt reactor; NCG CCG Nanyang Jindong nan Jinmen

64 7.4. Projetos em execução na China

65 7.4. Projetos em execução na China Preliminary consideration of the UHV AC grid in 2012

66 7.4. Projetos em execução na China - Wind: 27m/s. - Ice cover: 10mm. - Structure importance factor: A bundle with 8 ACSR 500mm 2 sub-conductor was chosen. - A ACS wire with diameter of 17mm be selected as normal ground wire, and an OPGW having similar characteristics as another ground wire. - Insulators: Project to be divided into three levels namely level A, B and C with , and >0.25 mg/cm 2 ESDD respectively. 54 pieces of 300kN double sheds porcelain insulators per string will be used at level A site. Composite insulators be used in level B and C sites.

67 7.4. Projetos em execução na China - Series ZMP: applied to altitude up to 500m - Series ZMQ: applied to altitude up to 500m - Series ZBS: applied to altitude range from m.

68 7.4. Projetos em execução na China Towers - Delta configuration Suspension tower erected in Wuhan Test Station

69 7.4. Projetos em execução na China UHV DC pilot project - Purpose: point-to-point bulk energy transfer over very long distance - Hydropower reservation in the lower reach of Jinsha River: 38000MW - The first stage project: 18600MW

70 7.4. Projetos em execução na China

71 7.4. Projetos em execução na China Bird View of UHV DC converter station

72 7.4. Projetos em execução na China Conclusions - In China, UHV transmission technology and its application is an inevitable choice. The power industry is facing a tremendous development opportunity. - In the following 10 to 15 years, a robust UHV grid will be formed in China. At the moment, the UHV AC and DC pilot projects are already under construction.

73 8. Conclusões... In those countries, such as Brazil, China and India. "Ultra high voltage" offers the potential to meet this challenge. - A ultra alta tensão é uma realidade no mundo. E o Brasil? - Proposta: 1. Aproveitar os avanços tecnológicos atuais e reiniciar estudos/pesquisas kV AC e ±800kV DC 2. Construção tramo experimental (CEPEL) kV AC (Fexcom & LNC) 3. Equipar Lab. Adrianópolis para testes equip. ±800kV 4. Recursos: Consórcio P&D s ANEEL 5. Acordo cooperação técnica: MOU com CEPRI / SG/SGCC China