Índices de Desempenho para Análise de Técnicas de Repotenciação de Linhas de Transmissão de Energia Elétrica

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1 1 Índces de Desempenho para Análse de Técncas de Repotencação de Lnhas de Transmssão de Energa Elétrca V. F. Almeda, E. M. Slva Júnor e J. C. M. Vera, Member, IEEE Resumo O aumento da demanda de energa elétrca em todo o mundo traz a necessdade de amplação dos sstemas de transmssão de energa elétrca, seja pela construção de novas lnhas de transmssão (LT) ou pela repotencação destas. Conhecda a dfculdade econômca e ambental para construção de novas LTs, váras técncas de repotencação são sugerdas para o aumento de sua capacdade de transferênca de potênca. este contexto, este trabalho propõe uma metodologa focada em índces de desempenho, que auxlam na dentfcação da técnca mas efcente para repotencação de LTs. A metodologa analsa os níves de carregamento da LT, lmtados pelo rendmento, regulação e establdade de tensão da LT. Palavras-chave Lnhas de transmssão de energa elétrca, repotencação, regulação de tensão, establdade de tensão, rendmento. A I. ITRODUÇÃO busca pelo aumento de potênca a ser transmtda pelas lnhas de transmssão, motvada pela crescente carga em todo o sstema elétrco, condcona a repotencação das lnhas de transmssão já exstentes em um método vável consderando fatores técncos, econômcos e ambentas. Algumas técncas de repotencação de LTs podem ser ctadas [1], tas como o aumento da tensão operatva, o lançamento de mas condutores em um fexe, a substtução dos condutores orgnas por outros termorresstentes, entre outras. o entanto, não se recomenda eleger qualquer uma das técncas para um determnado caso antes de uma análse técnca e econômca das possíves alternatvas. A dentfcação da técnca de repotencação mas vantajosa possblta a determnação do melhor carregamento para a LT, tanto para valores quanttatvos quanto para adequação aos lmtes operatvos, estabelecendo assm economa e um melhor desempenho na transmssão da energa elétrca. A análse do carregamento máxmo e lmtes operatvos de uma LT, quando submetda à repotencação, é de grande mportânca para a conqusta de resultados e valores de potênca transmtda pretenddos. V. F. Almeda e J. C. M. Vera são ntegrantes do Departamento de Engenhara Elétrca da Escola de Engenhara de São Carlos da Unversdade de São Paulo. Av. Trabalhador São-carlense 400, São Carlos, SP, Brasl (emals: venco@usp.br; jose.vera@eee.org). E. M. Slva Júnor é engenhero eletrcsta da empresa Slva e Moras Construções Elétrcas Ltda. Rua Ro Branco 80, Guaxupé, MG, Brasl (e-mal: elvo_jr@hotmal.com) Ressalta-se que em [2] foram avaladas técncas de repotencação por meo de uma metodologa que utlza fatores como: rendmento, regulação de tensão, capacdade de transferênca de potênca, lmte de establdade em regme permanente (por meo de curvas PV), solamento à máxma tensão operatva, perdas por efeto Joule e por efeto corona, corona vsual, nfluênca do campo elétrco e magnétco na vznhança da lnha de transmssão, rádo nterferênca e condções mecâncas. Por meo desses fatores, os autores puderam dentfcar com sucesso a técnca mas vantajosa para a execução da repotencação. o entanto, não se pôde defnr um índce numérco que representasse as prncpas nfluêncas de cada um desses fatores. Vsando estabelecer uma relação com a metodologa apresentada em [2], e/ou contrbundo com uma nova metodologa para análse de desempenho de uma LT sob repotencação, este artgo propõe a adoção de índces numércos de desempenho de lnhas de transmssão, que também facltarão a dentfcação da melhor técnca de repotencação. Os índces ncorporam nformações sobre as varações no carregamento da LT e fatores lmtantes de rendmento, regulação e establdade de tensão. II. METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO A metodologa proposta é apresentada conforme o fluxograma da Fg. 1. Ela pode ser aplcada em qualquer LT, porém conforme [3], na escolha da LT algumas avalações são cabíves para verfcar se exste vabldade técnca para a repotencação. Alguns fatores a analsar são: Lmte da capacdade de transmssão de energa elétrca: ncalmente, deve-se avalar se a capacdade de transmssão da LT está próxma do seu lmte de projeto ou se esta será atngda em um curto espaço de tempo, dada a prevsão do crescmento da demanda; Condção físca da LT: em um processo de repotencação deve-se procurar aprovetar, sempre que possível, o materal já nstalado na LT, vsando a redução de custos. Por exemplo, o bom estado de conservação dos condutores mplca em reaprovetamento dos mesmos, a depender da técnca de repotencação escolhda. o entanto, uma característca destacada em [3] defende que lnhas de transmssão com necessdades de melhoras em suas condções físcas podem ser consderadas prortáras em um processo de repotencação. A justfcatva dessa afrmação é que a reforma da LT para adequar suas condções físcas pode ser realzada durante o processo de repotencação.

2 2 Dervações da LT: a repotencação de lnhas curtas e com o mínmo de dervações é um processo mas rápdo e mas barato; Trajeto da LT: as condções de alttude, relevo, clma, vegetação podem nvablzar o processo de repotencação. Escolha da LT Formação do Banco de Dados da LT Escolha das Técncas de Repotencação Aplcáves Smulações Computaconas Cálculo dos Indces de Desempenho Identfcação da Melhor Técnca Atualzação do Banco de Dados FIM Fg. 1. Fluxograma aplcado na metodologa para repotencação da LT. A composção de um completo banco de dados é de suma mportânca no processo de cálculo dos índces de desempenho, pos a falta ou mprecsão de nformações sobre a LT pode mplcar em conclusões errôneas decorrentes das análses efetuadas. Portanto, segue uma lsta das nformações necessáras para composção desse banco de dados: Comprmento da LT e número de torres; Característcas dos condutores e cabos pára-raos: btola, resstênca em corrente contínua, dâmetro, seção total, peso, tpo; Característcas dos crcutos: número de condutores por fase, confguração do fexe de subcondutores (quando for o caso) e flecha; Característcas geométrcas da torre: dstâncas horzontas e vertcas entre cabos condutores e cabos pára-raos, e entre esses cabos e o solo; Resstvdade do solo; Cadea de soladores: número de soladores, tpos e classe de tensão; Valores de projeto: corrente, temperatura, velocdade do vento, temperatura ambente, pressão atmosférca, alttude; Valores em emergênca: corrente, temperatura; Equvalentes de curto-crcuto nas subestações nas quas a lnha está conectada: potênca e corrente de curto-crcuto monofásca e trfásca. Após formação do banco de dados, são escolhdas as técncas de repotencação aplcáves. Algumas técncas podem ser descartadas prevamente, pos exstem característcas presentes nas LTs que podem não ser coerentes com algumas delas. Devem ser observados fatores como dmensões das estruturas, níves de tensão nos termnas da LT, suportabldade a esforços mecâncos, aspectos ambentas dentre outros que nvablzam o projeto economcamente ou acarretam mudanças nadequadas, pos em uma repotencação busca-se a máxma preservação das condções orgnas da LT. Com as técncas já pré-defndas efetuam-se as smulações computaconas para determnar os índces. o presente trabalho fo utlzado o software DIgSILET PowerFactory, [4]. São efetuadas smulações de fluxo de carga para todas as técncas de repotencação ncalmente prevstas, e assm regstradas amostras de tensão, corrente e potênca nas extremdades da LT, que serão requstos para cálculo dos índces de desempenho propostos na metodologa. O cálculo dos índces de desempenho é a etapa em que são utlzadas as amostras colhdas nas smulações, que nserdas nas devdas equações, permtem quantfcar as varações de carregamento da LT, submetdas aos lmtes operatvos de rendmento, regulação de tensão e establdade de tensão. A dentfcação da melhor técnca para a repotencação da LT consste em fazer a classfcação dos índces de desempenho, consderando a técnca mas efcente como aquela que apresentar valores elevados para os índces. Consdera-se anda a adequação aos lmtes operatvos e o atendmento às normas de transmssão de energa elétrca [5]- [7]. A metodologa segue então com a atualzação do banco de dados consderando as modfcações efetuadas na LT devdas à técnca de repotencação seleconada, fnalzando assm a aplcação do método. III. RESULTADOS DA APLICAÇÃO DA METODOLOGIA A metodologa proposta neste trabalho será aplcada na mesma LT proposta em [2]. Esta LT é real, pertencendo ao sstema de transmssão da empresa Eletrobrás Furnas. Opera com tensão de 345 kv, e transmte uma potênca máxma de 330 MW, possu 131 km de extensão, com crcuto smples, fexe de 2 condutores por fase (condutores tpo Drake 795). A Fg. 2 lustra a geometra da torre utlzada na LT.

3 mm 10.6 m 10.6 m Fase A Fase B Fase C Fg. 5. Confguração dos cabos na estrutura da LT, Caso 3. Fg. 2. Torre tpo A51 Para a repotencação serão consderados quatro casos: à confguração orgnal será atrbuído o nome de Caso 1, conforme a Fg. 3. Consdera-se para todos os casos uma dstânca de 30 metros entre condutores e solo, uma faxa de servdão de 60 metros, torres tpo A51, e cadea de suspensão smples (confgurações orgnas da LT). Os cabos pára-raos são de btola 3/8 de polegadas EHS tpo ACO-07, (estes cabos pára-raos serão mantdos na repotencação). Caso 1: Dos condutores por fase, tpo Drake 795, tensão base gual a 345 kv, conforme a Fg. 3. Fase A Fase B Fase C Fg. 3. Confguração dos cabos na estrutura da LT, Caso 1. As técncas de repotencação analsadas são as seguntes: Caso 2: Três condutores por fase, tpo Drake 795, tensão base gual a 345 kv, conforme a Fg m 10.6 m mm mm Caso 4: Alteração da tensão operatva para 500 kv, mantendo-se a confguração orgnal (tensão base = 500 kv), conforme Fg m 10.6 m Fase A Fase B Fase C Fg. 6. Confguração dos cabos na estrutura da LT, Caso 4. A segur serão apresentadas as defnções e os valores encontrados de establdade de tensão (curva PV), do rendmento, da regulação de tensão e dos índces de desempenho. Os resultados são expostos com utlzação de fguras e tabelas referndo-se a todos os casos smultaneamente para consegur um melhor efeto comparatvo. A escolha da melhor técnca de repotencação será fnalmente determnada por uma síntese de todos os índces de desempenho. A. Establdade de Tensão (Curva PV) mm A curva PV mostra as relações dos valores de tensão efcaz fase-neutro na carga e a potênca entregue ao termnal receptor ou termnal de carga. A Fg. 7 mostra a comparação dos casos propostos no artgo, para o fator establdade de tensão [8], que servrá como exemplo para a determnação dos índces de desempenho em análse. Os valores do exo vertcal estão representados em p.u. da tensão base de cada caso, e os do exo horzontal representam os valores de carregamento da LT. Observa-se que para uma tensão na carga de 0,95 pu, que é um valor lmtante estabelecdo por [7], o "caso 4" apresentou maor carregamento da LT, com 600 MW m 10.6 m Fase A Fase B Fase C Fg. 4. Confguração dos cabos na estrutura da LT, Caso 2. Caso 3: Três condutores por fase, tpo Ral 954, tensão base gual a 345 kv, conforme Fg. 5. Fg. 7. Curvas PV para dferentes casos analsados.

4 4 B. Rendmento O valor de rendmento de uma LT buscado pelas empresas transmssoras de energa é de no mínmo 95%, com sso lmtam-se as perdas de transmssão na ordem de 5%. O cálculo do rendmento é apresentado em (1), conforme [9]. ( P P) R P R = rendmento da LT [%] P 1 = potênca no termnal transmssor [W] P 2 = potênca no termnal receptor [W] (1) V V V2 1 2 Reg 100 Reg Regulação da LT [%] V1 Tensão efcaz no termnal transmssor [kv] V Tensão efcaz no termnal receptor [kv] 2 A Fg. 9 lustra as curvas apresentadas para a regulação da LT, consderando todos casos propostos. Observa-se que consderando a regulação em 10%, o caso 1 teve por resultado com transmssão de 430 MW, e o caso 4 o melhor resultado com transmssão de 900 MW. Os Casos 2 e 3 obtveram valores parecdos de 500 MW. (2) Fg. 8. Rendmento da LT para dferentes casos analsados. A Fg. 8 mostra que pela análse do rendmento, todos os casos de repotencação permtram um aumento da potênca transmtda na LT. Consderando o rendmento em 95%, o Caso 1 transmtu em torno de 700 MW, ao passo que o caso 4 pode transmtr até 1580 MW. Os valores de potênca transmtda aqu destacados foram encontrados pela análse ndvdual do fator rendmento, e não devem ser confunddos com os valores váves de transmssão, que só serão determnados após uma análse conjunta de város fatores de desempenho. Este procedmento faz-se necessáro para que não ocorra um colapso de tensão ou superação de outros lmtes operatvos da LT, conforme analsados em [2]. C. Regulação de Tensão Outro fator que contrburá para o cálculo dos índces de desempenho é a regulação de tensão da LT, que pode ser defnda como a varação da tensão entre os termnas do transmssor e receptor para um dado nível de carga, tomada como porcentagem da tensão no receptor (ou nos termnas da carga), segundo [9]. O valor da regulação pode ser postvo ou negatvo, dependendo assm do valor da carga a ser transmtda, prncpalmente da potênca reatva, como também dos parâmetros elétrcos da LT. Os lmtes consderados para regulação da LT neste artgo seguem conforme valores utlzados pela Eletrobrás-Furnas, propretára da LT, onde a tensão nomnal no termnal receptor deve estar entre 0,90 e 1,1 pu do termnal transmssor, ou uma varação máxma de ±10% para ser consderada como adequada. A equação apresentada em (2) é a utlzada para cálculo da regulação da LT. Fg. 9. Regulação da LT para dferentes casos analsados. A segur, mostra-se como as nformações contdas nas curvas PV (Fg. 7), curvas de rendmento (Fg. 8) e de regulação (Fg. 9) são utlzadas para calcular os índces propostos neste trabalho. D. Índce de Máxmo Carregamento Este índce é comumente empregado para avalar o máxmo carregamento de sstemas elétrcos e ndca o montante máxmo de potênca atva a ser transmtdo sem que haja colapso de tensão. este trabalho, esse índce pode ser calculado pela expressão (3). MAXC P MAX 3 V P I P MAX = Potênca atva máxma obtda com o auxlo da curva PV [W] P = Potênca atva transmtda pela lnha em condções normas de operação [W] V = Tensão nomnal de lnha, efcaz [V] I = Corrente referente à operação normal da lnha, a 50º C, [A]. O valor de I é gual a 1218 A para todos os casos em estudo, e será também o valor utlzado no cálculo dos demas índces de desempenho. O valor de P é defndo como potênca de referênca, para consegur um efeto comparatvo entre os casos propostos, sendo fxado conforme a segur: (3)

5 Tensão (pu) Tensão 5 P 3 V I ,83 MVA A Fg. 10 lustra o cálculo do MAXC com auxílo da curva PV. calculado usando a expressão (5). MAX _ V P V MAX _ V MAXV I (5) sendo MAX_V o rendmento (em %) correspondente à potênca P MAXV. As demas grandezas de (5) foram defndas anterormente. Quanto maor o valor, melhor o desempenho da LT. P MAX - P Fg. 10. Ilustração do cálculo do MAXC E. Índce de Máxmo Carregamento restrto por Tensão Semelhante ao índce defndo anterormente, este utlza a também a curva PV e ndca o máxmo carregamento que a lnha de transmssão suporta sem volar o lmte nferor de tensão acetável, segundo recomendações da Resolução AEEL número 505, [7]. Este valor é gual a 0,95 pu. A expressão (4) defne o cálculo desse índce: MAXC _ V PMAXV P 3 V I sendo P MAXV o valor de potênca atva tomado quando a tensão for gual a 0,95 pu. Esta grandeza está demonstrada na Fg ,05 1 0,95 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 1 0 P P Potênca Atva P MAXV - P P MAXV Potênca Atva Fg. 11. Ilustração do cálculo do MAXC_V. P MAX F. Índce de Máxmo Rendmento restrto por Tensão Este índce possu caráter mas qualtatvo em relação aos apresentados anterormente e ndca qual o rendmento máxmo da LT quando a mesma transportar potênca atva gual a P MAX_V, defnda anterormente. É obtdo dretamente da curva que relacona o rendmento com a varação da potênca atva transmtda, Fg. 8. Para efeto de comparação com outras técncas de repotencação, seu valor pode ser (4) G. Índce de Máxma Regulação restrta por Tensão De manera semelhante ao índce, esse índce vsa MAX _ V comparar dferentes técncas de repotencação em relação aos seus mpactos na regulação de tensão da LT, consderando o valor de P MAXV. este caso, a expressão (6) é capaz de representar o índce MAXR _ V MAXR _ V 100 PMAXV R 3 V I MAX _ V adequadamente. sendo R o valor de regulação de tensão, vde Fg. 9, MAX _ V correspondente a P MAXV. Quanto maor o valor de melhor é o desempenho da LT. IV. SÍTESE PARA ESCOLHA DA MELHOR TÉCICA DE REPOTECIAÇÃO DA LT (6) MAXR _ V, A Tabela I nforma os valores encontrados dos índces de desempenho para todos os casos analsados. Casos TABELA I ÍDICES DE DESEMPEHO MAXC MAXC _ V MAX _ V MAXR _ V Caso 1 0,03-0,64 0,36 7,63 Caso 2 0,17-0,54 0,45 9,82 Caso 3 0,17-0,54 0,43 9,30 Caso 4 1,13-0,23 0,76 16,11 Após a realzação de todas as smulações e cálculos envolvdos na metodologa é possível então verfcar através dos índces encontrados, que o "Caso 4" (confguração com 2 condutores Drake e tensão operatva de 500 kv) fo o mas vantajoso. A Tabela I lustra que para o Caso 4, maores valores em todos os índces de desempenho propostos foram obtdos. Os valores negatvos referentes ao MAXC_V ocorrem porque a potênca referente ao valor de 1218 A (P ) é maor do que os valores máxmos de potênca atva que resultam na tensão no receptor gual a 0,95 pu. Esses valores negatvos também ndcam que se é desejado operar com potênca gual à P, 727,83 MVA, torna-se necessáro usar dspostvos compensadores de potênca reatva, caso contráro a tensão em regme permanente será nferor a 0,95 pu.

6 6 Para a tensão no receptor em 0,95 pu, o valor de potênca transmtda na LT no Caso 4 é de 600 MW, ou seja, a LT teve um ganho de 270 MW em comparação com sua condção orgnal (Caso 1). Para os casos 2 e 3, os índces possuem valores aproxmados, o que também é verfcado no carregamento da LT, que transmte em torno de 380 MW, tendo um ganho de aproxmadamente 50 MW. Conforme os resultados apresentados em [2], a metodologa apresentada neste artgo fo efcente, pos dentfcou a mesma técnca de repotencação (caso 4), como a melhor do ponto de vsta técnco. O tópco fnal da metodologa baseada nos índces de desempenho é a atualzação do banco de dados para os novos carregamentos e confgurações. Após aplcação da metodologa, vale lembrar que o completo processo de repotencação de uma LT consste anda na verfcação de outros fatores lmtantes de transmssão, em termos de solação, proteção e efetos eletromagnétcos, que podem ser orentados em [2]. Esta observação pode ser comprovada através do caso 4 deste artgo, que conforme análses efetuadas em [2], verfcou-se a necessdade de aumento do comprmento da cadea de soladores para adequação aos níves de solamento da LT. Também no caso 4 notou-se que sera necessáro o lançamento de mas um cabo condutor por fase, para que os níves de efeto corona não fossem superados, ao passo que as dstâncas de segurança entre os condutores, condutores/solo, condutores/torre mantveram-se constantes. O presente artgo auxla no complemento e/ou comparação com resultados atngdos em [2]. V. COCLUSÕES Este artgo propôs uma metodologa para avalar o desempenho de técncas de repotencação de LTs, analsando o comportamento de regme permanente de uma lnha de transmssão por meo de índces de desempenho. A metodologa mostrou-se efcente para dentfcação da técnca mas vantajosa, garantndo carregamentos dentro dos lmtes operatvos de establdade de tensão, regulação de tensão e rendmento, conforme normas regulamentadoras [5]-[7]. A metodologa apresentada pode ser também utlzada em análses de LTs em operação, no ntuto de verfcar os níves e faxas de carregamento que estas conseguem operar efcentemente, desde que seja composto um banco de dados completo da LT. A utlzação dos índces de desempenho mostrou-se uma alternatva rápda e efcaz no processo de escolha da técnca à repotencar uma LT, dentfcando anda em que condções de carregamento são necessáros compensadores de potênca reatva na LT. Assm, pode-se salentar que a combnação dos fatores de desempenho apresentados em [2] e dos índces de desempenho apresentados neste artgo contrbuem sgnfcatvamente em dversas vertentes dos estudos de desempenho de lnhas de transmssão. VI. REFERÊCIAS [1] C. M. F. Olvera, Recapactação de lnhas de transmssão, Dssertação de Mestrado, Pontfíca Unversdade Católca do Ro de Janero, [2] V. F. Almeda, J. C. M. Vera, Metodologa para avalar o mpacto de técncas de repotencação no desempenho de lnhas de transmssão e energa elétrca. n IEEE PES Transmsson and Dstrbuton Conference and Exposton Latn Amérca, São Paulo, 2010, 10 p. [3] E. Basotto, Um procedmento de análse para a repotencação de lnhas de subtransmssão de 34,5 kv para 69 kv, Dssertação de Mestrado, Departamento de Engenhara Elétrca, EESC, USP, [4] DIgSILET GmbH, [5] Assocação Braslera de ormas Técncas. BR 5422: Projeto de lnhas aéreas de transmssão: procedmentos. Feverero de [6] Procedmentos de Rede, (OS). Requstos mínmos para lnhas de transmssão aéreas. OS Operador aconal do Sstema Elétrco, Submódulo 2.4. Dsponível em: modulo%202.4_rev_1.0.pdf>. Acesso em: 27 out [7] AEEL, Conformdade dos níves de tensão de energa elétrca em regme permanente. Resolução da AEEL nº505, de 26 de novembro de [8] C. B. Camargo, Transmssão de Energa Elétrca: Aspectos Fundamentas, Edtora da UFSC/Eletrobrás, Floranópols, [9] R. D. Fuchs, Transmssão de Energa Elétrca: Lnhas Aéreas., teora das lnhas em regme permanente. Ro de Janero, Lvros Técncos e Centífcos; Itajubá, Escola Federal de Engenhara, Vol. 2, VII. BIOGRAFIAS Veníco Ferrera de Almeda nasceu em Passos MG, em 4 de julho, Possu graduação em Engenhara Elétrca pelo Centro Unverstáro de Araraquara (2006) e Mestrando na Área de Sstemas Elétrcos de Potênca pela EESC-USP- Unversdade de São Paulo, desenvolvendo pesqusas de repotencação de lnhas de transmssão. Atua no setor de operação de usnas hdroelétrcas e subestações de energa elétrca. Elvo Mereles da Slva Junor nasceu em Guaxupé MG, em 23 de agosto, Possu graduação em Engenhara Elétrca pelo Centro Unverstáro de Araraquara (2006). Atua como engenhero eletrcsta na empresa - Slva e Moras Construções Elétrcas Ltda. Possu experênca em expansão do sstema elétrco de potênca de dstrbução (rural e urbano), novas subestações de 13,8 kv, proteção de subestações ndustras, SPDA. J. C. M. Vera (S 98-M 07) obteve os títulos de Mestre e Doutor em Engenhara Elétrca na Unversdade Estadual de Campnas (UICAMP), Campnas, Brasl, em 1999 e 2006, respectvamente. De 1999 a 2003 trabalhou como Engenhero de Projetos na empresa FIGEER S.A. Engenheros Assocados, em São Paulo, Brasl. De 2006 a 2007 fo pósdoutorando na Unversdade Estadual de Campnas. Atualmente é professor assstente no Departamento de Engenhara Elétrca da Escola de Engenhara de São Carlos da USP, São Carlos, Brasl. Seus nteresses em pesqusa são geração dstrbuída e sstemas de dstrbução de energa elétrca.