UTILIZAÇÃO DO CONCEITO DE FEIXE EXPANDIDO PARA RECAPACITAÇÃO

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1 GLT/ a 26 de Outubro de 2001 Campinas - São Paulo - Brasil GRUPO III GRUPO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO UTILIZAÇÃO DO CONCEITO DE FEIXE EXPANDIDO PARA RECAPACITAÇÃO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO DE 500 KV DE FURNAS Carlos P. Raja Gabaglia* Paulo César Vaz Esmeraldo Fernando Chaves Dart Athanasio Mpalantinos Neto Claudia Fernandes de Oliveira Victor Hugo Góes Ricco Carlos Ruy N. Barbosa Luís Adriano M. C. Domingues Maria Amélia Sondermann FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. CEPEL RESUMO Neste artigo são apresentadas análises e comparações de desempenho, entre as ferragens desenvolvidas para utilização na recapacitação das linhas de transmissão de 500 kv de FURNAS e a ferragem tradicional de 18 polegadas, obtidas a partir dos resultados dos ensaios de laboratório realizados no CEPEL. Simulações computacionais foram desenvolvidas no CEPEL, considerando as mesmas condições reais da linha de transmissão, visando validar o desempenho da nova configuração de fases. Este trabalho contou com o apoio e participação ativa de fabricantes de equipamentos para linhas de transmissão. PALAVRAS-CHAVE Linha de Transmissão, LPNE (Linha de Potência Natural Elevada), FEX (Feixe Expandido), Corona, Radiointerferência, Impulso Atmosférico, Impulso de Manobra, Isoladores. 1.0 INTRODUÇÃO O atual modelo do Setor Elétrico Brasileiro aponta para a otimização do sistema de transmissão buscando a redução de custos para torná-lo confiável e mais competitivo. A necessidade de se transportar grandes blocos de energia, intrinsecamente ligada as características únicas do sistema elétrico brasileiro, pode ser observada no momento em que, efetivamente, se pretende aproveitar a energia que pode ser produzida em regiões com recursos hidráulicos abundantes porém localizadas fora dos principais centros de consumo. Neste contexto a busca de novas tecnologias de transmissão que unam as premissas básicas de confiabilidade e de redução de custos, tem sido uma preocupação constante de diversas empresas do setor. A tecnologia que vem se tornando uma alternativa real, tanto na construção de novas linhas de transmissão como também na recapacitação de linhas existentes, é a tecnologia de Linhas de Potência Natural Elevada - LPNE. Os empreendimentos já desenvolvidos no âmbito do setor elétrico brasileiro, pelo grupo ELETROBRÁS / FURNAS / CHESF com o apoio do CEPEL, atestam o domínio desta tecnologia. Atualmente FURNAS, em conjunto com o CEPEL, vem desenvolvendo um empreendimento, com o emprego da tecnologia LPNE, mas diretamente utilizando o conceito de expansão dos feixes das fases - LPNE/FEX, para recapacitar linhas de transmissão de 500 kv. 2.0 LPNE/FEX - PREMISSAS O conceito original de otimização do campo elétrico superficial dos condutores dos feixes de uma LPNE, apesar de perseguido, não é plenamente atingido pela LPNE/FEX. Ainda assim a LPNE/FEX apresenta uma melhor distribuição de campo elétrico superficial que nos feixes tradicionais de 18 polegadas [1]. Para o projeto original da torre cara de gato, mais especificamente a torre padrão A54, com arranjo de * Rua Real Grandeza, Bloco C sala CEP Rio de Janeiro-RJ - Brasil Telefone : + 55 (21) Fax : +55 (21) raja@furnas.com.br

2 2 feixes tradicional (três subcondutores, tipo RAIL MCM, por fase - feixe de 18 polegadas), foi desenvolvido um estudo de otimização dos feixes, aplicando o conceito de LPNE/FEX. A otimização visou desenvolver um arranjo de fases que atendesse a um aumento de cerca de 30% da capacidade de transmissão, não sendo, portanto, otimizado para a máxima potência transmitida possível. Uma das características principais da tecnologia LPNE/FEX é permitir ajustar os parâmetros das linhas de transmissão em função das necessidades do sistema. Definido o novo arranjo, novas ferragens foram desenvolvidas, em trabalho conjunto com fabricantes de equipamentos para linhas de transmissão. Estas ferragens passaram por diversos ensaios de laboratório no CEPEL, de forma a verificar o seus desempenhos. 3.0 APLICAÇÃO NO SISTEMA FURNAS A possibilidade de se poder empregar uma tecnologia de transmissão como a LPNE/FEX em novos empreendimentos e até mesmo na recapacitação de linhas existentes, para enfrentar os novos desafios impostos as empresas do setor nos próximos anos, de modo a acompanhar a necessidade de crescimento do fornecimento de energia, acompanhada da dificuldade de se utilizar novos corredores para expansão do sistema e atendimento desta demanda em função das restrições impostas pelos órgãos ambientais, passa pela comprovação do seu desempenho frente as soluções tradicionais em termos de custo, capacidade de transmissão e confiabilidade. Um bom exemplo de aplicação imediata da tecnologia LPNE/FEX pode ser observado no suprimento da Área do Rio de Janeiro e Espírito Santo. Esta região é importadora de energia elétrica, já que a produção local é substancialmente inferior à sua demanda. Depende, portanto, de fontes de suprimento externas e remotas Itaipu, hidrelétricas dos rios Grande e Parnaíba. O crescimento das demandas regionais e as incertezas quanto à viabilização em curto prazo das gerações térmicas cogitadas para a região fazem com que sejam contempladas novas obras de transmissão com vistas a assegurar o suprimento a área. A partir da constatação da necessidade de reforço da rede, os estudos de planejamento da expansão procuraram indicar obras consistentes com a visão de longo prazo para a área. Nas estruturas empregadas por FURNAS em seus circuitos de 500 kv, pode ser lançado um feixe com 4 condutores rail (954 MCM), obtendo-se uma linha de transmissão com um ganho de cerca de 30% na potência natural sobre o projeto original (3 condutores rail) como mencionado em 2.0. A partir do alívio no carregamento deste tronco onde foi instalado o feixe LPNE/FEX, na eventualidade da existência de outros circuitos em paralelo, estes poderiam ser recapacitados, um por vez, com a linha desenergizada. A recapacitação destes circuitos seria uma solução atraente pelo aproveitamento das faixas de servidão já existentes. 4.0 DESENVOLVIMENTO DAS FERRAGENS O desenvolvimento do projeto LPNE/FEX (Figura 1), poderá solucionar alguns problemas, inerentes ao serviço de manutenção de linha viva, uma vez que, dependendo do projeto da ferragem, os primeiros isoladores da cadeia ficam blindados por estarem no interior do feixe. O projeto desenvolvido para as ferragens da LPNE/FEX 500 kv difere basicamente das ferragens tradicionais pelas suas dimensões (Figura 1). FASE CENTRAL 457 mm FEIXE CONVENCIONAL FASE EXTERNA 1050 mm 1170 mm FEIXE E XPANDIDO FIGURA 1 Comparação das ferragens de feixe tradicional com a LPNE/FEX. Todos os fabricantes tiveram de respeitar a mesma disposição dos condutores nas fases para desenvolvimento de suas ferragens. Foram realizados ensaios elétricos em protótipos da ABB, FORJASUL e INEPAR e comparados com uma ferragem de 18 polegadas. 5.0 ENSAIOS DE LABORATÓRIO Foram realizados ensaios de tensão de radio interferência, corona visual, distribuição de potencial ao longo da cadeia de isoladores, tensão suportável de impulso atmosférico e de manobra no laboratório de Alta Tensão do CEPEL[3]. Para tanto foram montados mock-up representando a torre típica A54 para linha

3 3 de transmissão de 500 kv de FURNAS, para fase externa e central (Figuras 2 e 3). FIGURA 2 Mock-up da fase externa da torre A54 de FURNAS FIGURA 3 Mock-up da fase central da torre A54 de FURNAS A tensão de ensaio foi determinada via simulação computacional com o programa TRICAMP [4], levando em consideração as dimensões do hall de Alta Tensão com os equipamentos nele contidos e considerando a altura de 10 m para o condutor inferior do arranjo. Após esta determinação, a tensão de ensaio é acrescida de 5% do seu valor, para efetiva realização dos ensaios. A tensão de ensaio é a tensão a ser aplicada à configuração de ensaio, garantindo que o campo elétrico superficial dos condutores dessa configuração seja igual ao campo elétrico superficial dos condutores da LT. Desta forma procura-se reproduzir no laboratório o mesmo ambiente elétrico encontrado na LT. Em todos os ensaios foram utilizadas cadeias de 22 isoladores de vidro temperado, diâmetro de 280 mm, passo 170 mm, de fabricação da ELECTROVIDRO. Os ensaios foram realizados utilizando-se tubos de alumínio de diâmetro externo compatível com o cabo condutor RAIL (954 MCM). A distância mínima das esferas anti-corona em relação as ferragens para que estas não modificassem o ambiente elétrico nas proximidades das mesmas foi calculada, por simulação digital, como sendo de 9 m, assim foram utilizados tubos com comprimento de 18 m Figuras 2 e ANÁLISE DOS RESULTADOS 6.1 Ensaio de tensão de radiointerferência Os ensaios foram realizados elevando-se a tensão até 20 % acima do valor calculado da tensão de ensaio, sendo a seguir reduzida, em degraus, até zero e novamente aumentada até o valor inicial. Este procedimento foi repetido 3 vezes. Na Tabela 1 são apresentados os resultados dos ensaios de tensão de radiointerferência (TRI). Sendo V a tensão de ensaio. Pode-se observar que todas as ferragens apresentaram resultados bem inferiores aos 1000 µv estabelecidos por norma. TABELA 1 Ensaio de tensão de radiointerferência ENSAIOS DE TRI FASE CENTRAL FASE EXTERNA V TRI (µv) V TRI (µv) FABRICANTE 6.2 Ensaio de corona visual Os ensaios foram realizados elevando-se a tensão até o surgimento de corona, a seguir, eleva-se a tensão até a observação de corona generalizado, sendo então reduzida o valor da tensão até a extinção do corona e, posteriormente, até zero. Este procedimento foi repetido 3 vezes. Devido a melhor distribuição de campo elétrico do LPNE/FEX, era esperado, um desempenho próximo ou melhor que o das ferragens de 18 polegadas, como mostravam as simulações computacionais desenvolvidas para definição das tensões de ensaio. Este fato foi comprovado durante os ensaios realizados, tendo as ferragens de LPNE/FEX apresentado corona visual somente para tensões de 30% a 40% superiores a tensão de ensaio. Na Figura 4.é apresentado o corona generalizado na ferragem LPNE/FEX.

4 4 DITRIBUIÇÃO DE POTENCIAL - CADEIA CENTRAL PERCENTUAL DO POTENCIAL 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 fabricante 1 fabriucante 2 fabricante 3 18" 3, ISOLAD OR ES FIGURA 4 Ensaio de corona visual Corona generalizado em ferragens LPNE/FEX. 6.3 Ensaio de distribuição de potencial ao longo da cadeia de isoladores O procedimento de ensaio consistiu no posicionamento vertical de esferas de 30 mm de diâmetro com espaçamento de 6,0 mm no isolador sob ensaio, no mesmo plano formado pela cadeia de isoladores e condutores. Determina-se então o valor médio de 5 aplicações de tensão, com intervalo de 1 minuto, diretamente nas esferas até a disrupção do ar. Repetiuse este procedimento para os 6 primeiros e os 3 últimos isoladores de cada configuração a partir da ferragem. Os resultados obtidos para cadeia de isoladores das fases externa e central (Figura 5 e 6) confirmam os resultados de ensaios e simulações computacionais realizadas em outras configurações LPNE/FEX[1]. Pode-se observar a influência do feixe LPNE/FEX no percentual do potencial dos primeiros e últimos isoladores em relação ao feixe de 18 polegadas. A diminuição do valores percentuais nos primeiros e últimos isoladores da cadeia permite uma melhor distribuição do potencial em toda a cadeia. PERCENTUAL DO POTENCIAL 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 DISTRIBUIÇÃO DE POTENCIAL - CADEIA EXTERNA ISOLADORES fabricante 1 fabricante 2 fabricante 3 FIGURA 6 Distribuição de potencial nos 6 primeiros e 3 últimos isoladores da cadeia fase externa 18" FIGURA 7 Distribuição de potencial nos 6 primeiros e 3 últimos isoladores da cadeia fase central 6.4Ensaio de tensão suportável de impulso atmosférico A tensão suportável nominal foi verificada através do método dos acréscimos e decréscimos, com 30 aplicações nas polaridades positiva e negativa, a forma de impulso foi 1.2/50 µs. Pela Tabela 2 pode-se constatar o mesmo nível de desempenho das ferragens LPNE/FEX em relação a de 18 polegadas. TABELA 2 Ensaio da tensão suportável de impulso atmosférico ENSAIOS DE IMPULSO ATMOSFÉRICO FABRICANTE POLARIDADE POSITIVA POLARIDADE NEGATIVA A Figura 7 ilustra um ensaio de verificação da tensão suportável de impulso atmosférico numa ferragem da fase externa. 6.5 Ensaio de tensão suportável de impulso de manobra A tensão suportável nominal foi verificada através do método dos acréscimos e decréscimos, com 30 aplicações nas polaridades positiva e negativa, a forma de impulso foi 250/2500 µs. Pela Tabela 3 pode-se constatar um desempenho equivalente entre as ferragens LPNE/FEX e de 18 polegadas. FABRICANTE TABELA 3 Ensaio da tensão suportável à impulso de manobra ENSAIOS DE IMPULSO DE MANOBRA POLARIDADE POSITIVA POLARIDADE NEGATIVA

5 5 FIGURA 7 Ensaio de verificação da tensão suportável de impulso atmosférico Pode-se observar ainda que as descargas ocorridas sempre saltaram para a ferragem LPNE/FEX protegendo a cadeia de isoladores. Este fato pode ser atribuído à geometria dos feixes e a conseqüente melhora na distribuição de campo elétrico. A Figura 8 ilustra um ensaio de verificação da tensão suportável de manobra numa ferragem para fase central. FIGURA 8 Ensaio de verificação da tensão suportável de impulso de manobra. 7.0 CONCLUSÕES FURNAS, em conjunto com CEPEL, a partir do desenvolvimento da tecnologia LPNE, utilizando o conceito LPNE/FEX, detém hoje uma forte ferramenta para recapacitação de suas linhas de transmissão de 500 kv. Vislumbra-se a possibilidade real de utilização da tecnologia no Sistema Furnas. Tanto para construção de linhas transmissão, com significativo aumento na potência natural e ajuste adequado ao trecho requerido quanto para recapacitação das linhas com o aproveitamento de faixas de passagem existentes A utilização desta tecnologia em outros empreendimentos no Brasil é uma prova inconteste do nível de maturidade da tecnologia. Os ensaios elétricos realizados no CEPEL comprovaram o desempenho altamente satisfatório das ferragens LPNE/FEX, como pode ser observado nos ensaios de corona visual, TRI, distribuição de potencial, determinação da tensão suportável de impulso atmosférico e de manobra. A concepção básica da ferragem LPNE/FEX tem a vantagem adicional de proteger os primeiros isoladores da cadeia, facilitando inclusive a manutenção de linha. 8.0 BIBLIOGRAFIA (1) DART, F. C., DOMINGUES, L. A. M. C, BARBOSA, C. R. N., RÉGIS JUNIOR, O., PESSOA NETO, CAVALCANTI, S. J. G. Validação de uma nova tecnologia para transmissão em 500 kv - XV SNPTEE, Grupo III - Linhas de Transmissão, Foz do Iguaçú, PR, (2) CORDEIRO, C. A. M., GRUPO DE ESTUDO, - PROQUIP - Programa de qualificação de materiais e equipamentos do setor elétrico - isoladores para linhas de transmissão - XIII SNPTE, Grupo III - Linhas de Transmissão, Camboriú, SC, (3) MELLO, D. R. Relatório de ensaio CEPEL / UNIAT-542/2000-R, 544/2000-R, 696/2000-R, 698/2000-R, 842/2000-R, 844/2000-R, 1020/2000-R, 1034/2000 R, (4) DOMINGUES, L. A. M. C., FERNANDES, C., BARBOSA, C. R. N., DART, F. C., - Cálculo de Campo Elétrico pelo Método de Simulação de Cargas - Relatório CEPEL 923/95,2000.

6 Os autores agradecem aos fabricantes de ferragens ABB, FORJASUL E INEPAR pela cessão dos protótipos de ferragens. Agradecem ainda aos pesquisadores e técnicos do CEPEL pelo apoio prestado na realização dos ensaios, a saber: Darcy Ramalho de Mello Ozéas Moreno Lima Frederico Domingos da Cruz Milton Maurente Jorge Luis da Fonseca Rui Fonseca Loyola Leonardo Augusto Abreu de Souza 6