Ayslan de Souza Ferreira CELESC Distribuição S.A. Alessandro Pedro Dadam.

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1 XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétri SENDI a 10 de novembro Curitiba - PR - Brasil Ayslan de Souza Ferreira CELESC Distribuição S.A. Alessandro Pedro Dadam CELESC Distribuição S.A. Neissan de Alencastro CELESC Distribuição S.A. ayslansf@celesc.com.br alessandropd@celesc.com.brc neissan@celesc.com.br Simone C N Araujo Walter Pinheiro Luis Carlos Casagrande simone.araujo@tagpower.com.br walter.pinheiro@tagpower.com.br luis.casagrande@tagpower.com.br Sistema Inteligente para Controle do Carrega-mento de Alimentadores Aéreos de Média Ten-são para Operação em Situações de Emergência Palavras-chave Ampacidade de condutores para Redes Aéreas Carregamento condutores em emergência Carregamento dinâmico Sistema para Gerenciamento de Carregamento Resumo As concessionárias de energia elétrica têm experimentado nos últimos anos, aumento crescente do consumo de energia. Este fato tem exigido elevados investimentos para aumentar a oferta de energia e manter o padrão de qualidade estabelecido pela Aneel. Ocorre, no entanto, para o caso da Celesc, que a falta de espaços nas saídas das subestações para a construção de novos alimentadores, tem sido o maior empecilho para ampliação da capacidade das subestações. Neste trabalho são apresentados os resultados dos estudos realizados para o desenvolvimento de soluções tecnológicas visando o melhor aproveitamento da infraestrutura existente, destacando-se: redefinição dos limites de ampacidade dos condutores, levando em consideração os dados históricos reais das condições ambientais da área de concessão da Celesc, definição das grandezas mínimas a serem medidas no sentido de poder operar os alimentadores com carregamento dinâmico, e, desenvolvimento de ferramenta computacional para auxiliar na operação das subestações em situação de emergência 1. 1/12

2 1. Introdução A Celesc e as demais concessionárias brasileiras têm experimentado nos últimos anos, um aumento crescente do consumo de energia elétrica. Este fato tem exigido elevados investimentos no sentido de aumentar a oferta de energia e manter o padrão de qualidade estabelecido pelo órgão regulador. Tendo em vista os escassos recursos existentes, a dificuldade de se conseguir novas áreas urbanas, para a construção de subestações (SE s) e alimentadores e a necessidade da realização de investimentos prudentes, estudos e desenvolvimentos têm sido realizados, pelas mesmas, no sentido de se promover a ampliação máxima possível da capacidade das SE's e dos alimentadores existentes, com o mínimo de investimento possível. Ocorre, no entanto, para o caso da Celesc, que a falta de espaços nas saídas das SE's, para a construção de novos alimentadores, devido ao congestionamento dos alimentadores existentes, em muitas situações contando com mais de um alimentador na mesma posteação, tem sido o maior empecilho para ampliação da capacidade das SE's existentes. Na Figura 1 são apresentados detalhes dos alimentadores da saída de uma SE típica. Figura 1 Detalhe de saída de alimentadores com condutor nu, de uma SE típica. Ressalta-se, no entanto, que as bitolas desses condutores foram dimensionadas utilizando dados de correntes admissíveis em regime e de sobrecarga, baseado em catálogos de fabricantes, na norma brasileira NBR-5422 [1] e CIGRE-207 [2], calculada deterministicamente, assumindo valores específicos de condições ambientais, sendo o mesmo para todas as regiões do Brasil, e, portanto, conservadores o que ocasiona, em muitas situações, superdimensionamento da bitola dos mesmos, ou a execução de obras emergências desnecessárias. Visando minimizar este problema a Celesc resolveu investir em um projeto de pesquisa e desenvolvimento, que teve os seguintes objetivos: a) Redefinição dos limites de ampacidade dos condutores utilizando dados históricos das condições ambientais do Estado de Santa Catarina; b) Redefinição dos limites térmicos operacionais de carregamento dos condutores de saídas de subestações; c) Definição das grandezas mínimas a serem medidas nos alimentadores das SEs para poder operar com carregamento dinâmico; 2/12

3 d)desenvolvimento de Sistema Inteligente para Controle do Carregamento Dinâmico de Alimentadores de SE, de Média Tensão, em Situações de Emergência 2. Desenvolvimento 2.1 Novos Limites de Ampacidade de Condutores Utilizando dados Históricos das Condições Ambientais Modelagem da Temperatura Ambiente Utilizando-se banco de dados das condições históricas ambientais do Estado de Santa Catarina, foram montadas as curvas que retratam as evoluções diárias médias para cada um dos 12 meses do ano, por região, o que possibilitou dividir o estado de Santa Catarina em 4 regiões distintas, como se fossem específicas de 4 grupos bem diferenciados para fins de ampacidade, isto é: litoral, serra, central e oeste. É apresentado na figura 2, a título de exemplo, dados de isotermas para as 4 regiões selecionadas. Figura 2. Isotermas do Estado de Santa Catarina segundo as altitudes e latitudes Modelagem dos Ventos Nessa fase da pesquisa foi elaborado um modelo capaz de representar estatisticamente as velocidades de vento fracas e moderadas a serem aplicadas em avaliações da ampacidade em Condutores de Redes Aéreas, o que possibilitou dividir o estado de Santa Catarina em 3 regiões distintas, onde as velocidades indicadas poderiam ser praticadas. É apresentado na figura 3, a título de exemplo, dados das velocidades médias do vento nessas 3 regiões com 97% de probabilidade de sucesso. 3/12

4 Figura 3. Mapa do Estado de Santa Catarina contendo velocidades do vento a nível de 97% de probabilidade de sucesso Modelagem Radiação Solar O ganho solar no topo da atmosfera já se encontra modelado e a formulação constante de inúmeras publicações internacionais permite que se construa um dia típico, como mostrado a título de exemplo nas figuras 4 Figura 4. Ganho solar total teórico no Estado de Santa Catarina Janeiro (verão) e Junho (inverno) Novos Limites de Ampacidade para o Cabo Tulip, Considerando-se Dados Históricos das Condições Ambientais Os dados práticos do uso do modelamento das condições atmosféricas históricas do Estado de Santa Catarina, apresentados nos itens anteriores foram utilizados para redefinição da ampacidade dos condutores de redes aéreas de saídas de subestações, padronizados pela Celesc. A título de exemplo são apresentados na tabela I valores de ampacidade para o condutor Tulip 336,4 MCM, por ser o cabo mais utilizado pela Celesc e a percentagem de ganho em relação a uma corrente média de 464 A e temperatura média de 32 C. Observação: Os dados acima foram obtidos da média entre os valores históricos de carregamento praticados, pela Celesc, considerando-se: ambiente=25 C ou ambiente=40 C e velocidade do vento de 1 m/s), que corresponde a uma corrente, respectivamente, de 510 A e 419 A. Para cálculo da capacidade de condução corrente em regime permanente foi utilizado a dados da Brochura CIGRE [2]. Para o caso da radiação solar foi utilizado um valor de Radiação Solar média para todo o Estado de Santa Catarina como sendo de 900 W/m2, vento médio de 1,2 m/s, para a região Oeste, com ângulo de incidência do vento sobre os condutores de 45o. Para o cálculo foi adotada como temperatura máxima no alumínio de 75 C. 4/12

5 Tabela1- Novos Valores de Ampacidade para o Cabo Tulip Como utilização prática destas informações, destaca-se que os novos limites de carregamento para o condutor Tulip, para cada uma das regiões do Estado de Santa Catarina, calculado conforme histórico das condições ambientais, estão sendo utilizado para projeto de novos alimentadores Redefinição dos Limites Operacionais de Carregamento Condutores Saídas de SE s Critério Operacional para Carregamento de Condutores da Saída de SE Praticados pela Celesc Para situação normal de operação os alimentadores são planejados para um carregamento de até 67% da sua capacidade máxima de corrente o que permite a possibilidade de manobras de transferência de cargas entre alimentadores (em um Trafo com 4 alimentadores, sob contingência de 1, os outros 3 assumiriam a carga deste. Exceção feita aos alimentadores expressos e aos radiais sem possibilidade de manobra, que poderão chegar a 95% da sua capacidade máxima de corrente. Em situação de emergência, os alimentadores de distribuição podem ser carregados até 100% da sua capacidade máxima de corrente (corrente informada pelos fabricantes para temperatura ambiente=25 C ou ambiente=40 C e velocidade do vento de 1 m/s). Que corresponde para o condutor mais utilizado pela Celesc (Tulip 336,4 MCM) a uma corrente, conforme informado, respectivamente, de 510 A e 419 A. Respeitando-se sempre a capacidade de operação dos equipamentos inseridos no alimentador, se menor que a capacidade máxima de corrente do condutor. A Celesc utiliza dois tipos de religadores, os antigos com IN=560 A e os novos com IN=630 A Novo Critério para Carregamento de Condutores da Saída de SE O novo critério de carregamento para o condutor Tulip, definido será o menor valor de corrente baseado no limite térmico 5/12

6 ou na corrente máxima admissível, considerando-se: a) Corrente máxima 630 A, em função da corrente nominal dos novos religadores; b) Corrente que provoque temperatura máxima no condutor de 90 C, adotada para evitar recozimento tal que resulte numa perda de sua resistência mecânica; c) Corrente que provoque temperatura máxima no condutor que não ocasione riscos de segurança (distância mínima de segurança dos padrões em função da tensão de operação) Desenvolvimento de Sistema Inteligente para Controle do Carregamento Dinâmico de Alimentadores de Saída de SE s Definição Grandezas para Cálculo do Carregamento Dinâmico dos Alimentadores Visando simplificar a aquisição dos dados necessários para o cálculo da temperatura do condutor, temperatura ambiente, velocidade e direção do vento e radiação solar, optou-se por medir a temperatura diretamente no condutor, e, ainda, devido ao elevado custo dos sistemas de medição de temperatura de condutores disponíveis no mercado brasileiro, sistemas esses desenvolvidos para monitoramento de linhas de transmissão, foram realizados estudos de campo que comprovaram a seguinte hipótese: a) Conhecendo-se a corrente e a temperatura de um único condutor, de um dos alimentadores (em média cada SE possui 10 alimentadores), é perfeitamente possível estimar a temperatura dos condutores dos demais alimentadores. Com a revalidação dessa hipótese tendo os valores de corrente de todos os alimentadores e a medição de temperatura em um único condutor é possível se efetuar os cálculos necessários para o Controle do Carregamento Dinâmico de todos os Alimentadores de uma dada SE Sistema de Monitoramento de Temperatura Selecionado Dentre os Sistemas de Monitoramento de temperatura, aplicáveis em Sistemas de Energia Elétrica, disponíveis no mercado brasileiro, o Grupo de Pesquisa selecionou o Sistema desenvolvido pelo CPQD devido ao fato de ser um Sistema amigável e por poder contar com apoio técnico para realizar as adaptações necessárias para seu uso ao tempo, para monitoramento da temperatura em condutores das redes aéreas de distribuição. São apresentados nas figura 5 desenhos esquemáticos e elementos do Sistema de medição utilizado. 6/12

7 Figura 5. (a) Diagrama de blocos do sistema (b)elementos do Sistema Testes e Calibração para Temperatura A calibração do sensor foi feita acoplando-o em uma amostra de cabo similar ao cabo a mais utilizado pela Celesc. Uma das extremidades da amostra foi aquecida usando uma chapa com controle de temperatura, enquanto a outra extremidade foi apoiada em um suporte. O sensor foi fixado de modo que o contato térmico metálico ficasse encostado no cabo, possibilitando a transferência de temperatura. Na mesma posição, foi incluído um sensor térmico do tipo termopar, ligado a um termômetro, a figura 6 apresenta detalhes do arranjo de ensaio utilizado. Figura 6. Detalhe da fixação do sensor na amostra de cabo junto com o sensor termopar para a calibração térmica Foram realizados três ensaios. Cada dado foi coletado após a estabilização da temperatura sobre o sensor. Após a realização dos três ensaios foi calculada uma resposta média (equação da reta), relacionando a temperatura medida com a frequência de resposta do sensor. As curvas levantadas estão representadas na figura 7. Figura 7. Curvas levantadas com ensaios de calibração térmica do sensor Por fim, a equação média obtida foi usada no firmware da unidade de controle para converter a frequência medida em temperatura Testes de Desempenho para Altos Níveis de Corrente Foi realizado um teste com o objetivo de verificar a resposta do sensor quando sujeito a um ambiente com altos níveis de corrente elétrica e, consequentemente, campos magnéticos intensos. Para este teste, foi utilizada uma bobina com diversas camadas de espiras de forma a obter no centro da mesma um resultante de campo magnético equivalente a uma corrente de 500 e 1000A AC. O sensor foi posicionado no interior da bobina, de forma que esteja submetido ao campo gerado, conforme a figura 8. 7/12

8 Figura 8. Teste de desempenho em ambiente com altos níveis de corrente Não foi observada nenhuma variação na resposta do sensor para as correntes geradas sendo concluído que a influência do campo magnético gerado pela alta corrente no circuito eletrônico de medição é nula ou imperceptível Testes de Desempenho para Altos Níveis de Tensão Com a intenção de verificar o funcionamento do sistema em condições aproximadas das condições de campo elétrico, foram realizados testes submetendo o sensor a alta tensão, conforme mostra a figura 9. Figura 9. Montagem para teste do sensor no laboratório de alta tensão Aumentando o nível de tensão aplicada ao cabo de teste (até 13,8 kv) não verificamos nenhuma modificação no sinal enviado pelo sensor. Também foi realizado um teste para verificar o efeito das descargas por efeito Corona. A figura 10, mostra detalhes desse ensaio. Para tanto foi fixada uma chave metálica a certa distância do condutor de tal forma a gerar o efeito Corona. 8/12

9 Figura 10. Montagem para testes de efeito Corona Assim como nos testes anteriores não notamos variações no sinal enviado pelo. De acordo com os testes realizados concluímos que o sistema não sofre a influência significativa de altos campos elétricos e efeito corona. 2.4 Sistema Inteligente para Controle do Carregamento Dinâmico de Alimentadores de SE Este sistema permite determinar a ampacidade dos cabos aéreos de distribuição em regimes estacionário e dinâmico a partir das medições da temperatura na superfície externa do cabo e da corrente circulante no cabo no mesmo momento. Este sistema possui uma base de dados que armazena as medições de temperatura do sensor e dados da corrente circulante no cabo provenientes dos equipamentos de medição. A partir destas informações o sistema faz um tratamento estatístico das medições informando: a) Estatística anual; b) Estatística mensal; c) Estatística horária. O sistema possui ainda um banco de dados contendo o histórico das condições ambientais tratado estatisticamente, tais como: temperatura ambiente, velocidade do vento, direção do vento e radiação solar, complementando os dados necessários para que se possa avaliar a ampacidade e a temperatura do cabo em regime estacionário e dinâmico. Com isto é possível fazer uma previsão da temperatura do condutor para os casos em que é necessário fazer deslocamento de carga de um circuito para um ou mais circuitos da mesma subestação durante operações de manobra (carregamento dinâmico). O Sistema trabalha da seguinte forma: a) Obtém a temperatura na superfície externa do cabo através do sensor de temperatura instalado em um dos condutores e a corrente circulante neste condutor; b) Com estes valores o Sistema determina iterativamente a influência das condições ambientais na temperatura do condutor, com destaque a velocidade e a temperatura ambiente; c) Com os dados da influência das condições ambientais esperada na elevação da temperatura do condutor para o qual se quer adicionar corrente e o carregamento do mesmo o Sistema calcula a ampacidade máxima respeitando os limites térmicos do mesmo, obedecendo ao novo critério para carregamento de condutores da saída de SE. Dessa forma pode-se estimar a corrente que pode ser despachada no alimentador, por circuitos adjacentes em caso de manobra. O Sistema permite fazer o cálculo da ampacidade dinâmica a partir dos dados ambientais e de carregamento atual, através de simulações, como ilustrado nas figura 11. 9/12

10 (a) (b) Figura 11. (a)janela de simulação dinâmica do Sistema (b)janela de resultados da simulação dinâmica do sistema 2.5. Instalação Piloto do Sistema de Controle de Carregamento de Condutores em Uma SE da Celesc Definição da SE para Implantação do Piloto A SE Coqueiros foi selecionada tendo em vista a sua proximidade com a Sede da Celesc e também devido ao fato que as investigações de campo foram realizadas nesta SE e que a mesma possui excelente infraestrutura de apoio para auxiliar nas instalações e no acompanhamento do desempenho do Sistema desenvolvido Instalação do Sistema de Monitoramento de Temperatura e do Software para Controle de Carregamento Dinâmico de Alimentadores 10/12

11 Na figura 12 são apresentados detalhes do Sistema de monitoramento de temperatura instalado. Figura 12. Detalhes do sensor de temperatura instalado em um condutor da SE Coqueiros Nas figuras 13 e 14 são apresentados detalhes da tela do Software do sensor de temperatura e do conjunto (Sistema Computacional + Sensor de Temperatura) instalado na SE Coqueiros. Figura 13. Detalhe da tela do software do sensor de temperatura Figura 14. Detalhe do conjunto (Sistema Computacional + Sensor de Temperatura) instalado na SE COQUEIROS 3. Conclusões Como resultados práticos obtidos neste trabalho podemos destacar: a) Redefinição da ampacidade dos condutores utilizados pela Celesc, na saída dos alimentadores das SE s de média tensão, fazendo uso dos resultados obtidos na Modelagem das Condições Ambientais do Estado de Santa Catarina. O que proporcionou, para algumas regiões, ganhos de até 30% na padronização do carregamento dos condutores; 11/12

12 b) Definição das grandezas mínimas a serem monitoradas nas SE s de forma a subsidiar o controle do carregamento dinâmico dos alimentadores, com a revalidação da hipótese: conhecendo-se a corrente de todos os alimentadores e a temperatura de um único condutor é perfeitamente possível estimar a temperatura dos condutores dos demais alimentadores. O que proporcionou a não utilização de uma estação meteorológica em cada SE e sensores de corrente em todos os alimentadores, cujos custos seriam proibitivos; c) Desenvolvimento de Sistema Inteligente para Controle do Carregamento Dinâmico de Alimentadores de SE, de Média Tensão, em Situações de Emergência. O que proporcionou para os operadores das SE s ferramenta eficaz e segura para operação dos alimentadores em situação de emergência. 4. Referências bibliográficas [1] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 5422/85: Projeto de Linhas Aéreas de Transmissão de Energia Elétrica Procedimento. [2] Bochure CIGRE Thermal Behaviour of Overhead Conductors, WG-22.12, August : Este trabalho foi realizado junto a CELESC no âmbito do programa de P&D da Aneel 12/12