DESENVOLVIMENTO DE CONDUTORES COMPACTOS APLICADOS A PROJETOS DE LINHAS AÉREAS DE TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GLT-2 19 a 24 Outubro de 23 Uberlândia - Minas Gerais GRUPO III GRUPO DE ESTUDO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO - GLT DESENVOLVIMENTO DE CONDUTORES COMPACTOS APLICADOS A PROJETOS DE LINHAS AÉREAS DE TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Edino B. Giudice Filho* Carlos Alexandre M. Nascimento Gernan E. Guimarães Giovani E. Braga Osvaldo C. Filho CEMIG José Osvaldo S. Paulino Glássio C. de Miranda Alexandre Q. Bracarense - UFMG Sidnei Ueda Furukawa RESUMO Este Trabalho apresenta os resultados e produtos obtidos em dois anos do projeto de P&D da ANEEL, ciclos 2/21 e 21/22, com o projeto para o desenvolvimento de cabos condutores compactos. A aplicação de tecnologia inovadora e alternativa para produção desse tipo de condutor foi pesquisado e desenvolvido pela parceria CEMIG, FURUKAWA e UFMG, possibilitando assim, a primeira produção seriada desse tipo de condutor a custos reduzidos no Brasil. 1. - INTRODUÇÃO O projeto foi baseado principalmente na comparação técnica/econômica com os cabos tradicionais. Os protótipos dos cabos compactos foram desenvolvidos com as seguintes premissas: reduzir perdas elétricas, aumentar a eficiência elétrica/mecânica e otimizar o custo de fabricação desses condutores compactos no Brasil. Deste modo, foi concebido um novo produto para linhas aéreas, através da produção de protótipo do condutor compactado-t, que obteve redução de até 16% na sua resistência elétrica, em relação a um condutor tradicional- de mesmo diâmetro externo. A tecnologia inovadora desenvolvida para esse condutor compacto foi obtida através da geometria dos fios das camadas internas e externas, que objetivou conceber um protótipo que correspondesse com os requisitos técnicos normalizados e que viesse a trazer ganhos aos projetos de linhas aéreas. O projeto contou, entre outras, com as etapas: simulações computacionais, testes de laboratório para análises mecânicas e elétricas, testes de campo e ensaios especiais em temperaturas elevadas. PALAVRAS-CHAVE Ampacidade - condutor compacto comportamentos elétrico e mecânico de condutores - redução de perdas. A crescente demanda do carregamento das Linhas Aéreas de Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica e a necessidade de otimizar as faixas de segurança, tem exigido o desenvolvimento de condutores com alta performance elétrica/mecânica e com baixo custo de fabricação. Em um mercado cada vez mais competitivo, com várias restrições ambientais para a expansão de novas linhas e investimentos reduzidos, torna-se necessário melhorar o aproveitamento dos corredores das linhas aéreas existentes. Neste sentido, o projeto concentrou esforços em desenvolver um modelo de condutor compacto com características dimensionais bem próximas do condutor tradicional, mas com ganhos técnicos e econômicos significativos quando comparado com os cabos tradicionais. 2. - OBJETIVO Desenvolver um condutor compacto com processo de fabricação inteiramente nacional e de baixo investimento, capaz de reduzir perdas elétricas, aumentando a capacidade de transmissão de energia elétrica das Linhas Aéreas de Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica. * Avenida Barbacena, 12-11 o andar - CEP 3161-97 - Belo Horizonte - MG - BRASIL Tel.: (31) 3299-5476 - Fax: (31) 3299-4348 - E-MAIL: edino@cemig.com.br

2 3. - DESENVOLVIMENTO Após as visitas técnicas realizadas no início do projeto a institutos de pesquisa da América do Norte e Europa (1), estudos sobre condutores termorresistentes (2) e informações de fabricantes foi possível assimilar as técnicas e os processos de fabricação utilizados para estes condutores compactos. O elevado custo necessário, para produzir um condutor compacto com as mesmas características mecânicas e elétricas requeridas por cabo compacto de alta tecnologia, foi o principal desafio para esse projeto. O processo de fabricação tradicional de condutores compactos verificado, é complexo, exigindo uma série de máquinas e etapas, para garantir elevada eficiência destes modelos. Desta forma houve a necessidade de estudar, desenvolver e inovar o processo de fabricação, através de confecção de ferramentas e matrizes especiais, capazes de substituir o processo tradicional, podendo assim reduzir os custos. Isto pode ser observado na Figura 1. As Figuras 2 e 3 mostram a LT Experimental Santa Luzia Regap adaptada para coleta e levantamento de dados de campo, obtendo as informações para simulações de campo com condutores compacto e tradicional. FIGURA 2 LT Experimental Sta. Luzia Regap O processo produtivo tradicional foi adaptado juntamente com ajustes na trançadeira e técnicas desenvolvidas para a concepção dos primeiros protótipos. Após vários estudos, simulações, adaptações nos protótipos até a obtenção do modelo final adotado, o processo de fabricação foi constantemente alterado e adaptado, gerando assim, uma elevada capacitação para os técnicos e engenheiros envolvidos no projeto. FIGURA 3 Medições de Velocidade e Direção dos Ventos na LT Experimental 4. - ENSAIOS, TESTES E SIMULAÇÕES NOS CABOS COMPACTO E TRADICIONAL. 4.1 Testes Mecânicos FIGURA 1 Ferramentas adaptadas ao processo Após a produção do protótipo final do cabo condutor compacto (Tlinnet), foi realizada uma série de testes como análises química e metalográfica, ensaios mecânicos de microdureza, tração à ruptura dos fios; ensaios de tensão-deformação do condutor, fluência e vibração eólica. Estudos realizados em (3), (4), (5) e (6) e ensaios especiais para a análise de corona visual, sob chuva e temperaturas elevadas, até 15 C, foram realizados com equipamentos detectores de ruído direcionais e de visão noturna, caracterizando uma nova metodologia de testes. Ensaios de ruído irradiado, conduzido e de campos eletromagnéticos foram realizados em um amplo espectro de freqüências no Laboratório de Extra Alta Tensão - LEAT da UFMG. Após a confecção dos primeiros protótipos de fios trapezoidais e os primeiros protótipos de condutores compactos, uma série de estudos e ensaios foram realizados, com o objetivo de avaliar e caracterizar o comportamento mecânico do novo condutor. 4.1.1 Análise Química, Metalográfica e Microdureza Análises metalográficas por microscopia ótica e eletrônica da seção dos fios, análise química e microdureza foram realizadas mostrando que o material não apresentou variações significativas de suas propriedades nas diversas regiões da seção transversal dos fios. 4.1.2 Ensaio de Tração nos Fios de Alumínio O ensaio de tração nos fios foi realizado conforme a norma ABNT NBR 681. Neste ensaio, vários fios romperam no interior da garra da máquina de tração. Isso já era esperado, pois devido à seção transversal

3 dos fios ter forma de um trapézio, a tensão não se distribui igualmente ao longo do fio, concentrando na garra da máquina, não caracterizando um problema. A Tabela 1 mostra o resultado médio de ensaios em diversas amostras. Os valores do limite de resistência e da tensão de ruptura para os fios do cabo compacto em liga de alumínio termorresistente foram cerca de 1% superiores aos em liga convencional - Al 135. 4.1.3 Ensaio de Tensão-Deformação nos Cabos O ensaio foi realizado conforme a norma ABNT NBR 732, que apresentou resistência mecânica de 67 KN e alongamento cerca de 1% menor se comparado com o condutor tradicional, conforme mostra a Figura 4. 4.1.4 Ensaio de Fluência (CREEP) CARGA(kgf) 5 475 45 425 4 375 35 325 3 275 25 225 2 175 15 125 1 75 5 25 GRÁFICO TENSÃO x DEFORMAÇÃO CABO ACSR LINNET / TW Curva Virtual Inicial Composta Curva Compost a Final Curva Virtual Inicial Alma de Aço Curva Virtual Inicial Alumínio Curva Final Alumínio Curva final alma de aço Ensaio para medir o alongamento do cabo em função do tempo e do esticamento, realizado de acordo com a norma ABNT NBR 733, teve tempo de duração de 213 horas. O esticamento foi de 2% da carga de ruptura e a temperatura de referência de 2 + 2ºC. Os valores das deformações, extrapolando os valores para 1 horas estão mostrados na Tabela 2. 4.1.5 Medição de Vibração Eólica Na Figura 5 são apresentados os resultados das medições de vibração eólica realizados na LT Experimental Santa Luzia REGAP, mostrando que o nível de amplitude de vibração do cabo condutor compacto é menor do que os registrados em cabos tradicionais de mesma bitola, inicialmente isto indica uma melhoria na sua característica física de autoamortecimento. TABELA 1 - Tração nos Fios de Alumínio Tipo de Área(mm 2 Limite de Tensão de ) amostra resistência(n) ruptura(mpa) Fio compacto 8,99 1551,41 172,64 externo Fio compacto 9,94 1696,55 17,64 interno Fio redondo 9,71 1588,68 163,58 TABELA 2 Ensaio de Tensão x Deformação Tempo(h) 1 1 1 1 Deformação de 128,8 19,5 181,8 416,8 fluência(mm/mm) Amplitude (micro m) 5 T 45 Limite EPRI 4 35 3 25 2 15 1 5 25 5 75 1 Frequencia (Hz) DEFORMAÇÃO (% x,1) FIGURA 4 Tensão x Deformação - Compacto 4.2 Testes Elétricos 4.2.1 Efeito Corona e RIV Os resultados são apresentados na Figura 8 e Tabela 3. A Tabela 3 apresenta os valores de tensão de início de corona (kv) para o circuito corona em condições especiais. Os valores obtidos nas medições apresentaram o joelho de RIV em torno de 9kV (Figura 6), caracterizando condições normais para utilização do condutor. 4.2.2 Corona Visual Temperaturas Elevadas O Corona Visual, obtido em condição alternativa especial é mostrado na Figura 9. Na configuração normal, o condutor centrado na gaiola em uma configuração coaxial, foram feitas medições em três valores de corrente: 1) A; 2) 2A (entre 3 e 35 C) e 3) 6 A (entre 8 e 1 C). A Tabela 4 apresenta a variação de temperatura na superfície do condutor para alguns valores de corrente e o tempo no qual a corrente foi aplicada ao condutor. Ainda na Tabela 3 são apresentados resultados de ensaios com a aplicação de água no condutor, em forma de gotejamento controlado (simulação de chuva fina). Nota-se que as tensões de início de corona são bem menores, variando sensivelmente com a temperatura do condutor. As tensões de início de corona são menores que as anteriormente medidas. Com o condutor quente, ocorre a evaporação da água, o que leva a tensões abaixo de 23kV. 4.2.3 Análise Comparativa - Corona Visual e RIV Nas Figuras 8 e 9 são apresentados os resultados dos ensaios nos diferentes tipos de condutores utilizados. A forma compacta desenvolvida apresenta resultados ligeiramente inferiores em relação ao cabo tradicional para os ensaios normais e melhor performance para os ensaios sob gotejamento. FIGURA 5 Amplitude de Vibração - e T.

4 4.2.4 Medições de Ruído e Campo Eletromagnético 5Hz 3GHz Nos gráficos das Figuras 1 e 11 são mostrados os resultados das medições de ruído conduzido e ruído irradiado com o objetivo de simples comparação ( não foi aplicado o fator de antena). A figura 12 mostra os resultados das medições de campo elétrico nos condutores, onde os pontos P6 e P7 (pontos centrais afastados da fonte) onde foram realizadas as avaliações. As barras indicam uma aplicação de tensão escalonada de o a 2 kv e acréscimos de 2kV. TABELA 3 - Tensão de Início de Corona (kv) 24 o C 35 o C 1 o C Esfera 35 Normal 43 44 39 Gota D'água 29 23 23 TABELA 4 - Relação Corrente x Temperatura Corrente (A) Temperatura ( o C) Tempo (min) 23 8 23 15 5 24 2 1 26 2 2 3-35 2 4 5-65 2 6 88-1 2 8 135-15 2 LINNET Compacto Compacto TAL 6 5 4 3 2 1 3 5 7 9 11 13 15 Temperatura (º C) FIGURA 8 Comparação do Início de Corona Comum LINNET Compacto Compacto TAL 3 28 26 24 22 2 1 3 5 7 9 11 13 15 Temperatura (ºC) FIGURA 9 Comparação o Início de Corona com Gota 1º Desc 2º Sub 2º Desc 1 4kHz 9kHz 1M Hz 4MHz RIV (db) 1 1 1 1 2 4 6 8 1 12 FIGURA 6 Variação RIV (db x kv) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 5 1 15 2 25 FIGURA 1 Ruído Conduzido (db) 9kHz 4MHz 3MHz 45MHz 75M Hz 155M Hz 45 4 35 3 25 2 15 1 5 5 1 15 2 25 FIGURA 11 Ruído Irradiado (db) 3MHz 3GHz FIGURA 7 Cabana e Equipamento de Visão Noturna

5 E (kv/m) 14, 12, 1, 8, 6, 4, 2, P6 FIGURA 12 Campo Elétrico 5Hz 3kHz 4.2.5 Avaliações dos Resultados As diferenças nos valores da tensão de início de corona para os condutores a quente foram mínimas, mesmo para temperaturas muito elevadas, e campo não-uniforme. As tensões de início de corona sob chuva, no caso de gotejamento controlado, mostraram-se menores tanto para os campos uniforme quanto não-uniforme. As tensões de início de corona sob chuva, a quente, mostraram diferenças mínimas, dentro do erro de medição do sistema utilizado, tanto para campos uniformes quanto não-uniformes. As medições de ruído conduzido, ruído irradiado e campo elétrico, na configuração de cabo monofásico próximo das condições encontradas em uma linha real foram obtidas através da aplicação de tensão. Através dos resultados encontrados com os condutores a quente na tensão de início de corona, foi possível identificar um comportamento previsível destes condutores. 5. - PROPRIEDADES DOS NOVOS CONDUTORES COMPACTOS DESENVOLVIDOS Na Tabela 5 são apresentados os resultados das resistências elétricas dos condutores em diversas temperaturas comparando-os com condutores compactos TAL ( Liga Termorresistente), trabalhando a temperatura de 15 ºC. Nessa condição conseguiu-se um valor de resistência elétrica igual à do Tradicional a 75 ºC. 5.1 Perdas e Regulação A Tabela 6 mostra um comparativo dos cabos no que se refere à regulação e perdas, para diferentes valores de temperatura e condições de carregamento. Observa-se que é possível trabalhar com os condutores compactos tradicionais (AL 135) com perdas reduzidas ou com cabos compactos em Liga de Alumínio Termorresistente a temperaturas elevadas (altos carregamentos) mantendo praticamente as mesmas perdas elétricas. P7 6. - ANÁLISE ECONÔMICA Os ganhos computados comparando o condutor tradicional Al 135 a 75 C e a liga TAL acima de 12 C (já subtraídas as perdas) é de aproximadamente 4 MW Na Tabela 7 foi feita uma breve avaliação econômica da evolução alcançada com o desenvolvimento da geometria compacta aplicada ao condutor, em um projeto de Linha Aérea de comprimento de 5 km. A Figura 13 mostra uma comparação entre Custo e a Potência Transmitida para diferentes condutores e temperaturas. Pode-se verificar, quando utilizamos o condutor compacto, obtemos aumentos consideráveis do carregamento elétrico sem implicar em grandes variações do custo das LTs,. TABELA 5 Resistência Elétrica CA para diferentes temperaturas RESISTÊNCIA C.A. REAT. Cabo (Ohm/km) INDUT. 75 o C 9 o C 125 o C 15 o C (Ohm/k m) CC,172,1786,1983,2113,274 CTAL,1724,181,21,2141,274 Nota: (CC=Compacto Comum e CTAL=Compacto em Liga Termorresistente) TABELA 6 Perdas e Regulação X Carregamento Temp. c 9 125 15 CABO I P Regulação Perdas [A] [MVA] % % L-Trad 64 153 11.76 7.41 L-TAL 64 153 12.49 7.57 L-C-Trad 64 153 11.52 6.49 L-C-TAL 64 153 11.6 6.59 L-Trad - - - L-TAL 79 189 13.15 8.68 L-C-Trad - - - L-C-TAL 79 189 12.16 7.37 L-Trad - - - L-TAL 865 27 15.11 9.32 L-C-Trad - - - L-C-TAL 865 27 12.84 7.92 Nota: (L=, C=Compacto, Trad=Tradicional(Al 135) e Tal = Termorresistente) TABELA 7 Avaliação Econômica L-Trad (75 ºC) LT Básica de 5 km L-C-Trad (75 ºC) L-Trad- TAL (15 ºC) L-C-TAL (15 ºC) Custo/km (%) 1 1.4 1.2 1.9 MVA 125 141 19 27 Nota: (L=, C=Compacto, Trad=Tradicional(Al 135) e Tal = Termorresistente)

6 Custo Básico X 1 e MVA 25 2 15 1 5 Tradicional 75 C Relação entre Custo e Potência Custo Básico por km de LT MVA Traditional Compacto 75 C Tradicional TAL 15 C Compacto TAL 15 C Básica 75 C FIGURA 13 Relação custo Potência Transmitida 7. - CONSIDERAÇÕES Com o desenvolvimento da geometria compacta aplicada aos condutores tradicionais e à liga TAL consegue-se, através da redução da resistência elétrica, alcançar maiores distâncias para os projetos de linhas aéreas de transmissão de energia elétrica, mantendo um perfil aceitável de perdas e/ou reduzi-las. A definição da escolha do condutor mais adequado passa por uma análise técnica e econômica, verificando, entre outros: o carregamento elétrico, comprimento da LT, condições ambientais da região, tipo de condutor, estruturas. Desta forma vai existir um ponto ótimo de trabalhar com o condutor escolhido e, o novo condutor compacto desenvolvido é mais uma opção a ser utilizada, principalmente nos casos de carregamento e confiabilidade elevados. 8. - CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Este projeto, buscando empregar e desenvolver uma tecnologia própria de baixo custo e ao mesmo tempo eficiente, optou pela confecção de um condutor que atendesse à realidade do custo e benefício. aplicar o modelo desenvolvido nas Linhas de Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica. Os aspectos de melhoria observados e que podem permitir além da maior eficiência dos condutores compactos desenvolvidos, uma possível redução das faixas de segurança de linhas aéreas da CEMIG, já estão sendo trabalhados, o que torna a continuação dos estudos e pesquisas importantes e atuais. 9. - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) EDF ELECTRICITÉ DE FRANCE - Project Conjoint de de Recherche et D Essais sur les conducteurs Compacts. Hydro Québec - Joint Research and Testing Project on Compact Conductors (2) NASCIMENTO, CARLOS ALEXANDRE M. Metodologia Experimental para a Utilização de Cabos Termorresistentes (TAL) em Linhas e Redes de Distribuição Dissertação de Mestrado UFMG Dpto. de Eng. Mecânica Out/1999 (3) Transmission Line Reference Book 345 kv and above 2nd Ed. Electric Power Research Institute (4) RAY E. BOLZ AND GEORGE L. TUVE Handbook of tables for Applied Engineering Science 2 nd Ed, CRC (5) RUBENS DARIO FUCHS Transmissão de Energia Elétrica : Teoria das Linhas em Regime Permanente vol. 2. (6) SAFE ENGINEERING SERVICES & TECHNOLOGIES LTD. CDEGS Current Distribution Electromagnetic Interference, Grounding and Soil Structure Analysis. Apresentando a superfície da última camada conformada a permitir uma dissipação maior do calor, e coeficiente de arrasto reduzido, este objetivo foi alcançado. O processo de desenvolvimento do modelo obtido, apontou pontos a serem melhorados que, embora não comprometam o bom desempenho do condutor, apenas poderão lhe conferir um grau ainda maior de eficiência. Alguns destes pontos, já identificados são importantes para a otimização do modelo desenvolvido. Outro aspecto importante são as FERRAGENS, como EMENDAS À COMPRESSÃO e GRAMPOS DE ANCORAGEM, que devido à superfície mais lisas destes novos condutores, exigirão modelos adequados e que estão sendo estudados. De um modo geral os resultados mostraram-se promissores, com indicativos de se poder trabalhar e