Posy Douglas Toledo Grupo 5 Eletroosmose e Brunno Aquecimento do solo em Camacho Eletrodos de Terra

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1 Fernanda Universidade Estadual do Rio de Janeiro Departamento de Engenharia Elétrica Transmissão de Corrente Contínua Posy Douglas Toledo Grupo 5 Eletroosmose e Brunno Aquecimento do solo em Camacho Eletrodos de Terra Professor: João Carlos Martinho Pós-Dsc José Eduardo Telles Villas Igor Alt Luana Sanches

2 Objetivo O objetivo deste trabalho é apresentar o fenômeno eletrocinético da Elestroosmose e suas consequências negativas sobre o Eletrodo de Terra em um projeto de uma linha de transmissão CC. Explicaremos detalhadamente o que é um Eletrodo de Terra, Eletroosmose e tais efeitos negativos, que são: - Aquecimento do solo devido a secagem do mesmo nas proximidade do anodo; - Mudança das características de resistividade do solo; - Corrosão dos eletrodos devido ao solo com maior concentração de agua no catodo; - Entre outros. 2

3 Eletrodo de Terra É um elemento condutor metálico ou conjunto de elementos condutores interligados, em contato direto com a terra de modo a garantir a ligação com o solo. São utilizados para absorver as correntes de desequilíbrio entre o polo negativo e positivo e até mesmo como uma linha virtual, fornecendo um caminho de retorno que será conduzida pela terra. 3

4 Eletrodo de Terra Local de instalação São instalados nas subestações extremidades de uma linha de CCAT, a uma distância de 8 a 80km das SE s conversoras, para evitar a corrosão dos elementos das torres metálicas; Afastado de 10km de qualquer instalação metálica importante em contato com o solo (ferrovias, politudos, cabos subterrâneos); Resistividade elétrica do solo na faixa de 10 a 100ohms; De fácil acesso para que seja possível realizar manutenção; 4

5 Eletrodo de Terra Critério de projeto: a) Controle do fenômeno de Eletroosmose, através da limitação da densidade de corrente na interface eletrodo-solo a 1 A/m²; b) Controle da corrosão, levando-se em conta o tempo de vida útil (25 anos); c) Controle da tensão de toque, passo e transferido a valores inferiores aos suportados pelo ser humano (5,0 ma-cc); 5

6 Eletrodo de Terra Medidas corretivas: Quando a resistividade do solo varia muito, algumas medidas corretivas podem ser tomadas para que a densidade não exceda o valor de 1A/m² e para que haja o equilíbrio da distribuição de corrente entre os alimentadores de cada seção do eletrodo. Dentre elas: a) Dividir os eletrodo de Terra em seções isoladas, por meio de discos de material isolante; b) substituir parte do solo por outro de menor resistividade; 6

7 Eletrodo de Terra Aspectos Construtivos: a) Para que o eletrodo seja resistente a corrosão, usualmente é empregado o coque em sua superfície, por ser uma substância de baixo custo e baixa resistividade elétrica; b) Para a transferência de corrente dos condutores isolados de cobre para o coque, são utilizadas hastes de grafite ou de ferro-silício, sendo a ultima de menor custo; c) Ao longo do Eletrodo de Terra são instalados sensores de umidade e de temperatura para controle das condições do Eletrodo durante operação prolongada. 7

8 Eletrodo de Terra - Arranjos Horizontal: - Arranjo em anel, linear e com laços; - Ocupam grandes áreas; - São instalados a poucos metros de profundidade (2 a 5 metros); - Custo menor que o de arranjo vertical; - Requerem aberturas de valas extensas; - Distribuição de corrente no solo nas imediações do eletrodo dependem muito das características do solo; - Exigem medições contínuas para que se possa estimar a extensão de seus efeitos. 8

9 Eletrodo de Terra - Arranjos Anel: 9

10 Eletrodo de Terra - Arranjos Estrela com (n) laços: 10

11 Eletrodo de Terra - Arranjos Linear: 11

12 Eletrodo de Terra - Arranjos Vertical descontínuo: 12

13 Eletrodo de Terra Aspectos Construtivos: Devido a restrição do valor da densidade de corrente a ser injetada no solo (1A/m²), os Eletrodos de Terra devem possuir superfície lateral grande. Exemplo: - Supondo uma injeção de A com uma densidade de 0,5A/m², a superfície lateral do eletrodo deve ser de 6.000m²; 13

14 Formas de Operação Configuração Monopolar Somente um condutor Retorno realizado por Terra Corrente de terra igual à corrente de linha

15 Formas de Operação Configuração Bipolar Dois condutores de polaridades opostas Corrente de Terra é a diferença das correntes nas linhas Possibilidade de operação isolada de um dos conversores

16 Formas de Operação Configuração Homopolar Dois ou mais condutores de mesma polaridade Corrente de Terra é a soma das correntes nas linhas

17 Corrente de Retorno pela Terra Características Retorno usado em caráter permanente, condições de desiquilíbrio ou emergência; Procura camadas do solo de menor resistividade; Não há relação com o trajeto da Linha de Transmissão. Problemas causados Corrosão eletrolítica do Eletrodo e instalações metálicas próximas; Geração de potenciais de passo e toque nas imediações; Influência em sinalizações de estrada de ferros; Saturação de núcleos de transformadores em subestações;

18 Fenômenos eletrocinéticos nos solos A combinação de gradientes e fluxos elétricos e hidráulicos pode ser responsável por quatro fenômenos eletrocinéticos no solo, um deles é chamado Eletroosmose, onde partículas carregadas são cargas móveis de sinal contrário, mostrado na figura do próximo slide. Cada fenômeno envolve movimentos relativos de eletricidade, superfícies carregadas e fases líquidas.

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20 Eletroosmose É um fenômeno muito importante dentre os quatro fenômenos eletrocinéticos em estudos de linhas de transmissão de corrente contínua. A figura anterior ilustra o fenômeno. O fenômeno foi demonstrado pela primeira vez por Reuss e pode ser descrito como um fenômeno eletrocinético, onde o escoamento de um fluido em um canal é induzido por uma diferença de potencial elétrico.

21 O que é Eletroosmose? É o fenômeno no qual as moléculas de água são atraídas ou repelidas pelo eletrodo de Terra, seguindo o fluxo da corrente. Eletroosmose é a principal responsável pela alteração da resistividade elétrica e térmica do solo nas proximidades do eletrodo de aterramento e pode causar danos a instalação.

22 Eletroosmose Seu estudo é fundamental no projeto de linhas de transmissão CC. Deve ser analisada a interação com outros fenômenos envolvidos, devido ao risco de vitrificação do solo ao redor do eletrodo. A Eletroosmose pode provocar a perda do eletrodo e a necessidade de se construir outro, devido ao aquecimento do solo e com isso, a alteração da resistividade do mesmo. Esse fenômeno já foi verificado em pelo menos três instalações no mundo.

23 Eletroosmose Outro dano possível causado pela Eletroosmose é a corrosão do eletrodo de terra catodo, devido a maior concentração de água nos arredores do mesmo.

24 Eletroosmose é sempre um fenômeno ruim e indesejado? Não. Apesar deste fenômeno ser prejudicial aos eletrodos de aterramento de uma instalação CC, conforme dito nos slides anteriores, a Eletroosmose é muito utilizada no ramo da geologia para que seja feita drenagem da água contida no solo, desta forma tornando o solo local seco.

25 Eletroosmose é sempre um fenômeno ruim e indesejado? Este uso da Eletroosmose na área da geologia, que pode ser visto como um benefício, é conhecido como rebaixamento do lençol freático.

26 Parâmetros do solo que influenciam o projeto de O solo representa um papel fundamental no desempenho dos eletrodos, pelo fato de uma corrente elétrica estar continuamente circulando por ele e o eletrodo de Terra possui potencial mais elevado e maior temperatura eletrodos Dentre os principais parâmetros estão: Resistividade elétrica Condutividade térmica Calor específico

27 Temperatura ambiente do solo e do ar Parâmetros de movimento dos fluidos Ph Curva de polarização Lençol freático Estabilidade mecânica Restrições devido a erosão

28 Resistividade elétrica do solo Define-se a resistividade do solo (ρ),como a resistência elétrica (R) medida entre as faces opostas de um cubo de dimensões unitárias (aresta l de 1 m, área das faces A de 1m2), preenchido com este solo. Sua unidade é Ω.m.

29 Tipo de solo:

30 Umidade do solo: A condutividade do solo é sensivelmente afetada pela quantidade de água nele contida, sendo que o aumento da umidade do solo implica na diminuição da sua resistividade. Temperatura do solo: Uma temperatura elevada provoca maior evaporação, diminuindo a umidade do solo. Desta forma, um aumento de temperatura tende aumentar a resistividade. Concentração e Tipos de sais dissolvidos na água: A resistividade do solo é influenciada pela quantidade e pelos tipos de sais dissolvidos na água retida no mesmo.

31 Estes parâmetros influenciam os fluxos hidráulicos, elétricos, térmicos e químicos que podem ocorrer em um solo úmido. Dentre os fluxos acoplados que podem ocorrer, estão destacados em negrito na tabela a seguir os que são relevantes para o assunto em análise.

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33 Formulação simplificada da Eletroosmose Para uma melhor interpretação do fenômeno da Eletroosmose apresentamos a formulação simplificada em regime estabilizado, considerando-se um eletrodo toroidal. Para uma distância r qualquer, tal que seja maior que r0 e menor que r1, conforme a figura:

34 Dada esta condição, e considerando uma corrente por unidade de comprimento i injetada no eletrodo e difundindo-se para o solo, a velocidade da água no solo estando este em presença de termodifusão e Eletroosmose é: Onde T é a temperatura, u é a umidade, Ke é a constante eletroosmótica, E é o campo elétrico, Kh é o coeficiente de

35 Como a análise é feita em condições em que as forças encontram-se estabilizadas e não há arrastamento do fluxo de água, tem-se que:

36 Com base nas equações acima, temos os efeitos da termodifusão e da Eletroosmose no cálculo do campo eletromagnético e parâmetros relacionados, como a umidade u, a variação de temperatura ΔT, e o campo elétrico E, para uma umidade do solo u0 junto ao eletrodo (r=r0) igual a 0,2. As curvas a incluem os efeitos citados, e as curvas b desprezam os efeitos na umidade do solo.

37 Com isto, podemos concluir que é essencial considerar a Eletroosmose e a termodifusão, sendo inadequado desprezarmos a variação da umidade e sua influência nos demais parâmetros do solo.

38 Região de influência da Eletroosmose e volume de água perdido por unidade de A região de influência do fenômeno de Eletroosmose, comprimento segundo literatura especializada, situa-se no entorno do eletrodo a uma distância não superior a um metro. Dada a simetria do eletrodo, analisase apenas a seção transversal deste eletrodo toroidal. Assim, esta região pode ser traduzida pelo número de nós existentes Nxy, o qual é função do reticulado ( grid ) adotado para a área correspondente no

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40 Volume de água existente por unidade de comprimento do eletrodo na região de influência (Wxz) Esse volume é função da umidade inicial do solo, quando ainda é nula a corrente no eletrodo de terra.

41 Volume de água existente por unidade de comprimento do eletrodo em cada domínio de nó P na região de influência Como os fenômenos envolvidos são lentos Wp(t) (constantes de tempo elevadas), para um instante t=0+, esse volume calculado por unidade de comprimento pode ser calculado dividindo-se o volume total de água Wxz pelo número de nós na região Nxz. Já para um instante t qualquer, é necessário calcular a velocidade do fluxo de água para cada instante de tempo, que considera os fenômenos hidráulicos/termodifusão, a ação da Eletroosmose no nó em questão e a força exercida por unidade diferencial de área na

42 A partir do volume de água perdido por unidade de comprimento, obtemos um novo valor para a água remanescente Wp(t) e para a umidade em cada nó de estudo. Após isto, efetuam-se as correções dos parâmetros de resistividades elétrica e térmica do solo, permeabilidade e relação dos coeficientes de termodifusão e difusão do fluido.

43 Aquecimento do Solo Condução de Calor em Meio Homogêneo: A Expressão para cálculo da temperatura do solo nas imediações do Eletrodo de Terra ao longo do tempo é apresentada abaixo:

44 Para ilustrar a influência dos parâmetros da fórmula mostrada anteriormente, utilizaremos um caso analisado no livro base da disciplina, com as seguintes considerações:

45 Solo suposto Homogêneo sem a influência da Eletroosmose:

46 Solo suposto Homogêneo sem a influência da Eletroosmose: Influência da Difusividade Térmica do Solo.

47 Com base nos gráficos apresentados, podemos compreender que a condutividade e a difusividade térmica são parâmetros essenciais no aquecimento do solo e valores de temperatura do meio.

48 Comportamento Real Crescimento da Temperatura do Solo x Tempo

49 Solo suposto Homogêneo sem a influência da Eletroosmose: Influência do aquecimento do solo por Radiação Solar e Troca de calor por Irradiação

50 Solo suposto Homogêneo sem a influência da Eletroosmose: Perfis de Temperatura do solo a diferentes profundidades.

51 Corrosão eletrolítica

52 Corrosão eletrolítica É um processo eletroquímico que ocorre com a aplicação externa de uma corrente elétrica. Este processo causa a destruição total, parcial, superficial ou estrutural de determinado material causado pela ação do meio(solo úmido).

53 Corrosão eletrolítica Quando parte de um metal é posto neste meio, a corrente se dirige do metal para o meio, com isso o metal se torna um anodo, ou seja, os íons positivos são arrastados por essa corrente. Dessa forma o anodo perde parte de sua massa metálica. Os Catodos metálicos geralmente não sofrem corrosão, pois a corrente que

54 Controle da corrosão eletrolítica Manter os objetos metálicos bem afastados dos eletrodos da Terra em uma região onde densidade de corrente seja compatível com a perda de massa tolerável para a instalação metálica. Proteger o condutor com uma camada isolante para impedir que o mesmo opere como anodo.

55 Proteção Catódica Drenagem Forçada por Corrente Impressa Consiste na utilização de uma Fonte C.C de polaridade negativa no metal de forma a que a corrente entre no metal transformando-o em um Catodo. A corrente circulará pelo metal e retornará a terra pelo aterramento da Fonte que funcionará como Anodo. Por ser possível utilizar maiores quantidades de correntes, este método pode ser aplicado em qualquer eletrólito, incluindo os imersos em alta resistividade elétrica.

56 Proteção Catódica Drenagem Galvânica-Anódica por Anodos de Sacrifício Um condutor de zinco, alumínio ou magnésio é enterrado no solo nas proximidades do condutor que se deseja proteger contra corrosão. O conjunto forma uma bateria natural não necessitando de Fontes Externas. Este método, para obter-se uma grande eficiência, a resistividade elétrica do

57 Revestimentos protetores Finalidade: Criar uma barreira isolante entre o metal e o meio eletrolítico, impedindo a formação de pilhas de corrosão devido à interrupção do fluxo de corrente do tubo para o solo.

58 Revestimentos protetores Características: resistência à água; resistência elétrica; adesão ao material metálico; estabilidade química; resistência às ações mecânicas do meio; estabilidade a variações das temperaturas;

59 Revestimentos protetores Tipos de revestimento: revestimentos orgânicos; revestimentos inorgânicos; revestimentos metálicos.

60 Revestimentos protetores Revestimentos orgânicos: Pintura industrial; Revestimento com borracha; Revestimento para tubulações enterradas ou submersas: polietileno; espuma rígida de poliuretano; com epóxi piche de carvão (usado em

61 Revestimentos protetores Revestimentos inorgânicos: Consistem na interpolação de uma película não metálica e inorgânica entre o meio corrosivo e o metal que se quer proteger. Tipos: anodização; cromatização;

62 Eletrodeposição: Deposição eletrolítica na superfície da tubulação de metais que se encontram sob a forma iônica através de um banho, passando a superfície a atuar como um catodo Revestimentos protetores Revestimentos metálicos: Consistem na deposição de uma camada metálica intermediária entre o meio corrosivo e o metal que se quer proteger.

63 Revestimentos protetores Cladização: Consiste na fixação do material a ser protegido, por meio de solda por explosão, de chapas de metais resistentes à corrosão. Lining: processo dado pelo recobrimento do material a ser protegido por pequenas chapas de metal resistentes à corrosão.

64 Revestimentos protetores Imersão a quente ou galvanização: revestimento metálico mais comumente usado, consiste em imergir o material a ser protegida em um banho fundido. Metalização: deposição de metais de baixo ponto de fusão criando uma camada no material a ser protegida.

65 Referências TCC Disciplina de Sistemas de transmissão em corrente contínua em alta Tensão(CCAT) ;Pós-Dsc José Telles Villas O Fenônomeno da eletroosmose e sua influência na operação segura e eletrodos de Terra de CCAT; Pós-Dsc José Telles Villas