BR102021000166A2

BR102021000166A2 - Cabo armado para transporte de corrente alternada, método para aperfeiçoamento de desempenhos de um cabo armado e método de redução de perdas em um cabo armado

Info

Publication number: BR102021000166A2
Application number: BR102021000166-6A
Authority: BR
Inventors: Paolo Maioli; Massimo Bechis
Original assignee: Prysmian S.P.A.
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2021-07-27
Also published as: AU2021200043A1; EP3848944A1; EP3848944C0; US11177054B2; US20210217540A1; IT202000000343A1; EP3848944B1

Abstract

cabo armado para transporte de corrente alternada, método para aperfeiçoamento de desempenhos de um cabo armado e método de redução de perdas em um cabo armado. a presente revelação se refere a um cabo armado (10) para transporte de corrente alternada compreendendo: pelo menos um núcleo (12), cada núcleo compreendendo um condutor elétrico (121); pelo menos uma tela metálica (126) circundando o pelo menos um núcleo (12); uma armadura (16), circundando a pelo menos uma tela metálica, compreendendo uma camada interna (16a) de fios blindados e uma camada externa (16b) de fios blindados, pelo menos parte dos fios blindados d camada interna (16a) e pelo menos parte dos fios blindados de camada externa (16b) compreendendo um material ferromagnético; e uma camada de separação entre a camada interna (16a) de fios blindados e a camada externa (16b) de fios blindados. a camada de separação apresenta uma espessura de pelo menos 1 mm. a presente revelação também se refere a um método para redução de perdas no dito cabo armado e a um método para aperfeiçoamento de desempenhos do dito cabo armado.

Description

CABO ARMADO PARA TRANSPORTE DE CORRENTE ALTERNADA, MÉTODO PARA APERFEIÇOAMENTO DE DESEMPENHOS DE UM CABO ARMADO E MÉTODO DE REDUÇÃO DE PERDAS EM UM CABO ARMADO

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[001] A presente revelação se refere a um cabo elétrico armado para transporte de corrente alternada (CA). A revelação também se refere a um método para redução de perdas no dito cabo armado de CA e a um método para aperfeiçoamento de desempenhos do dito cabo armado de CA.

[002] Um cabo armado é geralmente empregado em aplicações (por exemplo, aplicação submarina) onde as tensões mecânicas são consideradas. Em um cabo armado de CA, um único núcleo ou diversos núcleos (geralmente três núcleos trançados, no último caso) são circundados por uma armadura na forma de fios metálicos, configurados para reforçar a estrutura do cabo enquanto mantêm uma flexibilidade adequada. Cada núcleo do cabo geralmente compreende um condutor elétrico na forma de uma haste ou de fios trançados, um sistema de isolamento (compreendendo geralmente uma camada isolante e pelo menos uma camada semicondutora) e uma tela metálica. No caso de diversos núcleos, os núcleos podem ser protegidos individual ou coletivamente pela tela metálica.

[003] O documento de patente CN 104103352 revela um cabo de CA, em particular um cabo submarino de compósito de fibra óptica armado com fio duplo de aço. A armadura compreende uma camada interna de aço, uma camada externa de aço e uma camada de manta de fibra entre a camada interna e a camada externa da armadura.

[004] A Requerente observou que quando a corrente alternada é transportada por um cabo, a temperatura dos condutores elétricos no interior dos núcleos do cabo aumenta devido às perdas resistivas, fenômeno denominado como efeito de Joule.

[005] A corrente alternada transportada e os condutores elétricos normalmente são dimensionados para garantir que a temperatura máxima nos condutores elétricos seja mantida abaixo de um limiar prefixado (por exemplo, abaixo de 90°C) que garante a integridade do cabo.

[006] O padrão internacional IEC 60287-1-1 (segunda edição 2006-12, Par. 1.4.1.1) provê métodos para calcular a classificação de corrente permitida de cabos a partir dos detalhes de aumento permitido de temperatura, resistência do condutor, perdas e resistividades térmicas. Em particular, o cálculo da classificação de corrente em cabos elétricos é aplicável às condições da operação de estado constante em todas as tensões alternadas. O termo “estado constante” é destinado a significar uma corrente continua constante (fator de carga de 100%) apenas o suficiente para produzir assintoticamente a temperatura máxima do condutor, sendo as condições do ambiente circundante presumidas como constantes. Também são fornecidas fórmulas para o cálculo de perdas.

[007] No IEC 60287-1-1, a classificação de corrente permitida de um cabo de CA é derivada da expressão para o aumento de temperatura permitido do condutor ∆θ acima da temperatura ambiente θa, em que ∆θ = θ−θa, θ sendo a temperatura do condutor quando uma corrente I está fluindo para o condutor e θa sendo a temperatura do meio circundante em condições normais, em uma situação em que os cabos são instalados, ou devam ser instalados, incluindo o efeito de qualquer fonte local de calor, mas não o aumento de temperatura na vizinha imediata dos cabos ao calor que advém deste. Por exemplo, a temperatura do condutor θ deve ser mantida inferior a aproximadamente 90°C.

[008] Por exemplo, de acordo com IEC 60287-1-1, em caso de cabos de CA subterrâneos onde não ocorre secagem do solo ou cabos de CA no ar, a classificação de corrente permitida pode ser derivada da expressão para o aumento de temperatura acima da temperatura ambiente:

em que:
I é a corrente que flui em um condutor (Ampere)
Δθ é o aumento de temperatura do condutor acima da temperatura ambiente (Kelvin)
R é a resistência de corrente alternada por unidade de comprimento do condutor na temperatura operacional máxima (Ω/m);
Wd é a perda dielétrica por unidade de comprimento para o isolamento que circunda o condutor (W/m);
T1 é a resistência térmica por unidade de comprimento entre um condutor a bainha (K.m/W);
T2 é a resistência térmica por unidade de comprimento da capa entre a bainha e a armadura (K.m/W);
T3 é a resistência térmica por unidade de comprimento porção externa do cabo (K.m/W);
T4 é a resistência térmica por unidade de comprimento entre a superfície do cabo e o meio ao redor (K.m/W);
n é o número condutores de carga no cabo (condutores de tamanho igual e transportando a mesma carga);
λ1 é a razão de perdas entre a tela metálica e as perdas totais em todos os condutores naquele cabo;
λ2 é a razão de perdas entre a blindagem e as perdas totais em todos os condutores no cabo.
No caso de cabos com três núcleos e armadura de fio de aço, a razão λ2 é fornecida, no IEC 60287-1-1, pela seguinte fórmula:

em que RA é a resistência de CA da armadura na temperatura máxima da armadura (Ω/m);
R é a resistência da corrente alternada por unidade de comprimento do condutor na temperatura operacional máxima (Ω/m);
dA é o diâmetro médio da armadura (mm);
c é a distância entre o eixo de um condutor e o centro do cabo (mm);
ω é a frequência angular da corrente nos condutores.

[009] A Requerente observou que, no geral, uma redução de perdas em um cabo elétrico armado de CA possibilita aumentar a classificação de corrente permitida e, assim, reduzir a seção transversal do(s) condutor(es) (assim o tamanho do cabo e a quantidade necessária de material para fabricar o cabo) e/ou aumentar a quantidade da corrente transportada pelos condutores do cabo (assim a potência transportada pelo cabo).

[010] Além disso, a Requerente observou que uma redução de perdas geralmente possibilita reduzir a capitalização de perdas durante a vida útil (por exemplo, 25 anos) do cabo elétrico armado de CA.

[011] A Requerente investigou as perdas em um cabo elétrico armado de CA. Em particular, a Requerente investigou as perdas em um cabo elétrico armado de CA, tendo duas camadas de armadura separadas por uma camada de separação, quando parte dos fios ou todos os fios das camadas de armadura são feitos de material ferromagnético, o que é economicamente atraente em relação a um material não ferromagnético como, por exemplo, aço inoxidável austenítico.

[012] A Requerente observou que há perdas relacionadas ao campo magnético variável gerado pela corrente CA transportada pelos condutores elétricos, que causa correntes parasitas nas camadas metálicas (ou eletricamente condutoras) que circundam os núcleos (como, por exemplo, a(s) tela(s) metálica(s) e os fios ferromagnéticos das duas camadas de armadura), bem como histerese magnética dos fios ferromagnéticos das duas camadas de armadura.

[013] Durante as investigações das perdas no cabo elétrico armado de CA supracitado, a Requerente observou que as perdas do cabo, em particular as perdas combinadas nas duas camadas de armadura e na(s) tela(s) metálica(s) (ou seja, as perdas térmicas induzidas dentro das duas camadas de armadura metálica e tela(s) pelo campo magnético gerado pela corrente CA transportada pelos condutores elétricos) são reduzidas quando a espessura da camada de separação entre as duas camadas de armadura é aumentada. A Requerente descobriu que obtém-se uma redução significativa (por exemplo, até aproximadamente 3%) quando a espessura da camada de separação é maior que 1 mm.

[014] Em um primeiro aspecto, a presente revelação se refere, assim, a um cabo armado para transporte de corrente alternada, compreendendo:

- pelo menos um núcleo, cada núcleo compreendendo um condutor elétrico,
- pelo menos uma tela metálica que circunda o pelo menos uma núcleo;
- uma armadura que circunda a tela metálica compreendendo uma camada interna de fios blindados e uma camada externa de fios blindados, pelo menos parte dos fios blindados da camada interna e pelo menos parte dos fios blindados da camada externa compreendendo um material ferromagnético; e
- uma camada de separação entre a camada interna de fios blindados e a camada externa de fios blindados,

em que a camada de separação apresenta uma espessura maior que 1 mm.
Em um segundo aspecto, a presente revelação se refere a um método para aperfeiçoamento de desempenhos de um cabo armado de CA tendo perdas do cabo quando uma corrente alternada I é transportada, em que o cabo armado de CA compreende:

- pelo menos um núcleo, cada um compreendendo um condutor elétrico com uma área transversal X dimensionada para operar o cabo armado de CA para transportar a corrente alternada I a uma temperatura condutora operacional máxima permitida θ, conforme determinado pelas perdas do cabo;
- pelo menos uma tela metálica circundando o pelo menos um núcleo;
- uma armadura que circunda a tela metálica compreendendo uma camada interna de fios blindados e uma camada externa de fios blindados, pelo menos parte dos fios blindados da camada interna e pelo menos parte dos fios blindados da camada externa compreendendo um material ferromagnético, as perdas do cabo incluindo perdas de condutor, perdas d tela e perdas de armadura;
- uma camada de separação entre a camada interna de fios blindados e a camada externa de fios blindados,

o método compreendendo as etapas de:

- redução de perdas combinadas na pelo menos uma tela metálica e na camada interna e camada externa da armadura ao fabricar a camada de separação com uma espessura maior que 1 mm;
- dimensionamento da área transversal X de cada condutor elétrico com um valor reduzido, esse valor reduzido sendo determinado e possibilitado pelas perdas combinadas reduzidas, e/ou
- classificação do cabo armado de CA na temperatura condutora operacional máxima permitida θ para transportar a dita corrente alternada I com um valor elevado, esse valor elevado sendo determinado e possibilitado pelas perdas combinadas reduzidas.

[015] Em um terceiro aspecto, a presente revelação se refere a um método de redução de perdas em um cabo armado de CA em que uma corrente alternada I é transportada, o cabo armado de CA compreendendo:

- pelo menos um núcleo, cada um compreendendo um condutor elétrico (121);
- pelo menos uma tela metálica circundando o pelo menos um núcleo;
- uma armadura que circunda a pelo menos uma tela metálica compreendendo uma camada interna de fios blindados e uma camada externa de fios blindados, pelo menos parte dos fios blindados da camada interna e pelo menos parte dos fios blindados de camada externa compreendendo um material ferromagnético, as perdas incluindo perdas de condutor, perdas de tela e perdas de armadura;
- uma camada de separação entre a camada interna de fios blindados e a camada externa de fios blindados,

o método compreendendo as etapas de:

- redução de perdas combinadas na pelo menos uma tela metálica e na camada interna e camada externa da armadura ao fabricar a camada de separação com uma espessura maior que 1 mm.

[016] Graças à descoberta da Requerente de que as perdas combinadas nas duas camadas de armadura e tela(s) metálica(s) são reduzidas ao aumentar a espessura da camada de separação entre as duas camadas de armadura, os desempenhos do cabo armado de CA podem ser melhorados em termos de aumento de corrente alternada transportada e/ou redução da área transversal X do condutor elétrico.

[017] No mercado de cabos, um cabo é colocado à venda ou comercializado acompanhado pela indicação que se refere, entre outros, à quantidade de corrente alternada transportada, à área transversal X do(s) condutor(es) elétrico(s), à temperatura condutora operacional máxima permitida e capitalização de perdas durante a vida útil do cabo. graças à descoberta da Requerente, um cabo armado de CA de acordo com a presente revelação pode ter uma área transversal X reduzida do(s) condutor(es) elétrico(s) com substancialmente a mesma quantidade de corrente alternada transportada e temperatura condutora operacional máxima permitida, ou uma quantidade elevada de corrente alternada transportada com substancialmente a mesma área transversal X do(s) condutor(es) elétrico(s) e temperatura condutora operacional máxima permitida.

[018] Isso possibilita fabricar um cabo armado de CA com aumento da capacidade de corrente e/ou redução do tamanho dos condutores com consequente redução do tamanho, peso e custo do cabo.

[019] Além disso, a capitalização de perdas durante a vida útil do cabo de acordo com a presente revelação é, em qualquer caso, reduzida em relação ao mesmo desenho de cabo nas mesmas condições operacionais.

[020] Para os fins da presente descrição e das reivindicações anexas, exceto onde indicado o contrário, todos os números que expressam quantias, quantidades, porcentagens, e assim por diante, devem ser compreendidos como modificados em todos os casos pelo termo "aproximadamente". Além disso, todas as faixas incluem qualquer combinação dos pontos máximo e mínimo revelados e incluem quaisquer faixas intermediárias destes, que podem ou não ser especificamente enumeradas aqui.

[021] Na presente descrição e reivindicações, o termo “núcleo” é usado para indicar um condutor elétrico circundado por uma camada isolante e, opcionalmente, pelo menos uma camada semicondutora. O núcleo pode ser circundado por uma tela metálica, que – por sua vez – circunda o condutor, a camada isolante e a(s) camada(s) semicondutora(s).

[022] Na presente descrição e reivindicações, o termo “ferromagnético” indica um material que apresenta uma susceptibilidade substancial à magnetização por um campo magnetizante externo (a potência da magnetização dependendo daquele campo magnetizante aplicado) e que permanece pelo menos parcialmente magnetizado após remoção da campo aplicado. Por exemplo, o termo “ferromagnético” indica um material que, abaixo de uma determinada temperatura, possui uma permeabilidade magnética relativa µr em valor absoluto (ou seja, │µr│) significativamente maior que 1, por exemplo, com │µr│ maior que ou igual a 100.

[023] Na presente descrição, o termo “não ferromagnético” indica um material que, abaixo de uma determinada temperatura, possui uma permeabilidade magnética relativa em valor absoluto de aproximadamente 1.

[024] Na presente descrição, o termo “diversos” ou “multi” indica mais de um.

[025] Na presente descrição e reivindicações, o termo ”temperatura condutora operacional máxima permitida” é usado para indicar a temperatura mais elevada que permite-se a um condutor atingir em operação em uma condição de estado constante para garantir a integridade do cabo. A temperatura atingida pelo cabo em operação depende substancialmente das perdas gerais do cabo, incluído perdas do condutor devido ao efeito de Joule e do fenômeno dissipativo. As perdas na armadura e na(s) tela(s) metálica(s) são outro componente significativo das perdas gerais do cabo.

[026] Na presente descrição e reivindicações, o termo “classificação de corrente permitida” é usado para indicar a corrente máxima que pode ser transportada em um condutor elétrico para garantir que a temperatura do condutor elétrico não exceda a temperatura condutora operacional máxima permitida em condição de estado constante. O estado constante é atingido quando a taxa de geração térmica no cabo é igual à taxa de dissipação térmica da superfície do cabo, de acordo com as condições de colocação.

[027] Na presente descrição e reivindicações, os termos “direção de enrolamento da armadura” e “campo de enrolamento de armadura” são usados para indicar a direção e o campo de enrolamento dos fios blindados dispostos em uma camada de armadura.

[028] No caso de um cabo multinúcleo de CA armado, na presente descrição e reivindicações, o termo “unicamada” é usado para indicar que o entrançamento dos núcleos e o enrolamento de uma camada da armadura possuem a mesma direção (por exemplo, ambos para o lado esquerdo ou ambos para o lado direito), com um campo igual ou diferente em valor absoluto.

[029] Na presente descrição e reivindicações, o termo “contracamada” é usado para indicar que o entrançamento dos núcleos e o enrolamento dos fios de uma camada da armadura possuem uma direção oposta (por exemplo, um para o lado esquerdo e o outro para o lado direito), com um campo igual ou diferente em valor absoluto.

[030] Na presente descrição e reivindicações, o termo “seção transversal alongada” é usado para indicar o formato da seção transversal perpendicular ao eixo longitudinal do fio da armadura, o dito formato sendo oblongo, alongado em uma dimensão.

[031] A presente revelação, pelo menos em um dos aspectos supracitados, pode ser implementada de acordo com uma ou mais das seguintes realizações, opcionalmente combinadas em conjunto.

[032] A camada de separação pode estar na forma de uma camada polimérica extrudida ou fita(s) poliméricas ou d tecido, opcionalmente em espuma.

[033] Em uma realização, a camada de separação baseia-se em um material com uma condutividade térmica maior que 0,1 W/(m·K). Dessa forma, a dissipação térmica é facilitada.

[034] Por exemplo, a camada de separação é fabricada de material polimérico como, por exemplo, poliéster (por exemplo, tereftalato de polietileno (PET)) ou polipropileno (PP). Fitas de fibra natural, como fitas de Hesse, também são adequadas.

[035] Em uma realização, a camada de separação possui uma espessura de no máximo 3 mm. Esse limite superior é escolhido para limitar o diâmetro geral do cabo armado e para evitar uma camada de separação muito espessa que pode levar a ventilação mecânica (redução/aumento do diâmetro da armadura) da armadura sob força de tração.

[036] A camada de separação pode ser feita de diversas bainhas ou fitas de um material igual ou diferente. No entanto, para limitar sua compressibilidade (devido, por exemplo, a uma almofada pneumática entre as diversas bainhas ou fitas), a camada de separação pode ser feita de uma única bainha/fita de um material igual.

[037] Em uma realização, os fios da camada de armadura interna possuem uma seção transversal alongada. Em uma realização, também os fios da camada de armadura externa possuem uma seção transversal alongada.

[038] A seção transversal alongada dos fios blindados pode ter um formato substancialmente retangular.

[039] Alternativamente, a seção transversal alongada é moldada substancialmente como uma porção anular.

[040] Em uma realização adicional, a seção transversal alongada é provida com um entalhe e uma protrusão nas duas extremidades opostas ao longo do principal eixo, de modo a melhorar a correspondência de formato de fios adjacentes. O travamento do entalhe/protrusão entre os fios torna a armadura vantajosamente firme, mesmo no caso de cabo dinâmico.

[041] Em uma realização, a seção transversal alongada dos fios blindados possui um eixo menor de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 7 mm de comprimento, por exemplo, de 2 mm a 5 mm de comprimento.

[042] Em uma realização, a seção transversal alongada dos fios blindados possui um eixo principal de 3 mm a 20 mm de comprimento, por exemplo, de 3 mm a 12 mm de comprimento.

[043] Em uma realização alternativa, os fios da camada interna possuem uma seção transversal circular (ou seja, são fios redondos). Em uma realização, também os fios da camada externa possuem uma seção transversal circular (ou seja, são fios redondos).

[044] Em uma realização, no caso de seção transversal circular, os fios blindados possuem um diâmetro geral de 2 mm a 8 mm, por exemplo, de 3 mm a 7 mm.

[045] Em uma realização, os fios blindados da camada externa possuem substancialmente a mesma seção transversal em formato e, opcionalmente, em tamanho à da camada interna.

[046] Em uma realização preferida, o cabo armado compreende diversos núcleos que são entrançados em conjunto de acordo com uma configuração de entrançamento de núcleo e um campo de entrançamento de núcleo A.

[047] No caso de diversos núcleos, a pelo menos uma tela metálica pode ser uma única tela metálica que protege coletivamente os diversos núcleos ou pode ser feita de diversas telas metálicas, cada uma protegendo um respectivo núcleo dos diversos núcleos.

[048] Em outras palavras, cada núcleo pode ser protegido por uma respectiva tela metálica ou os diversos núcleos podem ser protegidos coletivamente por uma única tela metálica.

[049] Em uma realização, a tela metálica consiste em uma material não ferromagnético. Por exemplo, a tela metálica consiste em chumbo ou cobre.

[050] Adequadamente, a armadura circunda todos os diversos núcleos juntos, como um todo.

[051] Os fios da camada interna e da camada externa são enrolados em torno dos diversos núcleos, respectivamente, de acordo com uma configuração de enrolamento de armadura helicoidal interna e um campo de enrolamento de armadura interna B, e uma configuração de enrolamento de armadura helicoidal externa e um campo de enrolamento de armadura externa B’.

[052] Em uma realização, a configuração de enrolamento de armadura helicoidal interna e a configuração de enrolamento de armadura helicoidal externa possuem direções opostas. Essa configuração de contracamada da camada externa e camada interna é vantajosa em termos de desempenhos mecânicos no cabo.

[053] Em uma realização, para reduzir ainda as perdas combinadas nas telas e camadas da armadura, a configuração de enrolamento de armadura helicoidal interna possui uma direção igual à da configuração de entrançamento de núcleo, e a configuração de enrolamento de armadura helicoidal externa possui uma direção oposta em relação à configuração de entrançamento de núcleo.

[054] Em uma realização alternativa, a configuração de enrolamento de armadura helicoidal interna possui uma direção oposta à da configuração de entrançamento de núcleo, e a configuração de enrolamento de armadura helicoidal externa possui uma direção igual em relação à configuração de entrançamento de núcleo.

[055] Em uma realização, o campo de enrolamento da armadura interna B é de 0,4 a 3 do campo de enrolamento do núcleo A e diferente do campo de enrolamento de núcleo A em pelo menos 10% do campo A. A Requerente descobriu que essa relação possibilita vantajosamente reduzir mais as perdas da armadura.

[056] Em uma realização, o campo de enrolamento da armadura interna é B ≥ 0,5A. Por exemplo, campo B ≥ 0,6A. Em uma realização, o campo é B ≤ 3A. Por exemplo, campo B ≤ 2,5A.

[057] Em uma realização, o campo de enrolamento de armadura externa B’ é maior, em valor absoluto, que o campo de enrolamento da armadura interna B. Por exemplo, o campo de enrolamento da armadura externa B’ é maior, em valor absoluto, que B em pelo menos 10% de B.

[058] Em uma realização, todos os fios blindados da camada interna compreendem um material ferromagnético; por exemplo, todos os fios blindados da camada interna consistem em material ferromagnético.

[059] Em uma realização, todos os fios blindados da camada externa compreende um material ferromagnético; por exemplo, todos os fios blindados da camada externa consistem em material ferromagnético.

[060] Em uma realização, o material ferromagnético possui uma permeabilidade magnética relativa µr em valor absoluto maior que ou igual a 100, por exemplo, aproximadamente 300 (ou seja, │µr│≥100, por exemplo │µr│=300).

[061] Em uma realização, o material ferromagnético dos fios blindados pode compreender ou consistir em um material selecionado dentre: aço de construção, aço inoxidável ferrítico, aço inoxidável martensítico e aço carbono.

[062] Além dos fios blindados ferromagnéticos, cada uma dentre a camada interna e a camada externa da armadura pode compreender ainda fios blindados feitos de um material não ferromagnético. Por exemplo, os ditos fios blindados adicionais poderiam ser feitos de material polimérico, compreendendo opcionalmente vidro ou aço inoxidável.

[063] Quando o cabo armado compreende diversos núcleos, cada um deles é um núcleo de fase única.

[064] O cabo armado pode compreender três núcleos. O cabo trifásico compreende vantajosamente três núcleos de fase única.

[065] Em uma realização, o cabo armado é um cabo de tensão média ou alta tensão (MV ou HV, respectivamente). O termo tensão média é usado para indicar tensões máximas de 1 a 36 kV. O termo alta tensão é usado para indicar tensões máximas superiores a 36 kV.

[066] Em uma realização, o diâmetro mais periférico do cabo armado é pelo menos igual a 100 mm.

[067] Em uma realização, o cabo armado possui uma corrente nominal de pelo menos 200 Arms ou pelo menos 300 Arms; por exemplo, até 800 Arms ou 1000 Arms.

[068] O cabo de energia armado pode ser um cabo submarino.

[069] As características e vantagens da presente revelação ficarão evidentes a partir descrição detalhada a seguir de algumas realizações exemplares destas, providas meramente por meio de exemplos não limitantes, cuja descrição será conduzida ao fazer-se referência à Figura anexa, que mostra esquematicamente um cabo armado exemplar de acordo com uma realização da presente revelação.

[070] Em particular, a figura mostra esquematicamente um cabo armado de CA 10 exemplar para aplicação submarina compreendendo três núcleos 12.

[071] Cada núcleo 12 compreende um condutor elétrico de metal 121, normalmente feito de cobre, alumínio ou ambos, na forma de uma haste ou de fios trançados. O condutor 121 é circundado sequencialmente por uma camada semicondutora interna 122, uma camada de isolamento 123 e uma camada semicondutora externa 124. As três camadas 122, 123, 124 são feitas de material polimérico (por exemplo, polietileno), papel de embrulho ou laminado de papel/polipropileno. No caso das camadas semicondutoras 122, 124, o material destas é carregado com carga condutora como negro de fumo.

[072] Cada condutor 121 possui uma área transversal X, em que X=π(d/2)2, d sendo o diâmetro condutor.

[073] Fora da respectiva camada semicondutora 124, cada núcleo 12 também compreende sequencialmente um camada de bloqueio hídrico 125, uma tela metálica 126 e uma bainha polimérica 127 (esta sendo feita, por exemplo, de MDPE, polietileno de densidade média).

[074] A tela metálica 126 pode ser feita, por exemplo, de chumbo, geralmente na forma de uma camada extrudida, ou de cobre, na forma de uma folha enrolada longitudinalmente, de fitas enroladas ou de fios trançados.

[075] Os três núcleos 12 são entrançados helicoidalmente entre si, de acordo com um campo de entrançamento de núcleo A.

[076] Os três núcleos 12 são mantidos no lugar por uma carga 13, que pode estar na forma de material polimérico extrudido, filamento polimérico ou natural ou carga plástica moldada (como revelado, por exemplo, no documento de patente EP3244422). Se necessário, um ou mais cabos ópticos 18 (dois, no presente caso) podem ser providos no interior da carga 13.

[077] Os três 12 são circundados, como um todo, por uma capa 14. A capa 14 pode ser feita de fitas de tecido (por exemplo, fitas de Hesse) ou tecido de polipropileno (PP).

[078] Em torno da capa 14, provê-se uma armadura 16. A capa 14 protege a superfície subjacente da pressão localizada indevida da armadura 16.

[079] A armadura 16 é circundada por uma camada de proteção de tecido 15 (feita, por exemplo, de tecido PP) e uma jaqueta protetora 17 (feita, por exemplo, de MDPE).

[080] A armadura 16 compreende uma camada interna 16a de fios blindados e uma camada externa 16b de fios blindados. Na presente Figura os fios blindados são representados como tendo uma seção transversal redonda, mas isso deve ser interpretado meramente como um exemplo ilustrativo, uma vez que os fios podem ter, alternativamente, uma seção transversal alongada; em particular, os fios 16a, 16b podem ser hastes planas com uma seção transversal substancialmente retangular.

[081] Provê-se uma camada de separação 19 radialmente entre a camada interna 16a de fios blindados e a camada externa 16b de fios blindados.

[082] De acordo com a presente revelação, a camada de separação possui uma espessura maior que 1 mm.

[083] Em uma realização, a camada de separação possui uma espessura inferior ou igual a 3 mm.

[084] Todos os fios blindados (ou pelo menos parte destes) da camada interna 16a e da camada externa 16b compreendem material ferromagnético; em uma realização, todos estes (ou uma parte deles) consistem em material ferromagnético.

[085] O material ferromagnético possui, por exemplo, uma permeabilidade magnética relativa µr em valor absoluto igual a 300 (isto é, │µr│=300) e pode consistir, por exemplo, em aço de construção.

[086] Os fios de metal da camada interna 16a e da camada externa 16b são enrolados em torno dos núcleos 12, respectivamente, de acordo com uma configuração de enrolamento de armadura helicoidal interna e um campo de enrolamento da armadura interna B, e uma configuração de enrolamento de armadura helicoidal externa e um campo de enrolamento da armadura externa B’.

[087] A configuração de enrolamento de armadura helicoidal interna e a configuração de enrolamento de armadura helicoidal externa possuem direções opostas. Essa configuração de contracamada da camada externa e camada interna é vantajosa em termos de desempenhos mecânicos do cabo.

[088] Durante as atividades de desenvolvimento realizadas para investigar as perdas em um cabo de energia elétrica de CA, a Requerente testou um cabo de HV de três fases únicas de CA tendo as seguintes características estruturais e operacionais:

[089] O comportamento físico de materiais metálicos nas camadas de metal do cabo é descrito abaixo em termos de resistividade elétrico e permeabilidade magnética relativa.

[090] A resistividade elétrica de materiais elétricas pode ser avaliada na temperatura operacional Tw com a fórmula conhecida:
ρ(Tw) = ρ20*[1+α∗(Tw – 20)]

[091] Considerando esse cabo como um ponto inicial, a Requerente computou as perdas da armadura na camada interna e camada externa, as perdas nas telas e as perdas combinadas nas camadas da armadura e telas, ao usar um modelo 3D FEM (Método de elemento finito) que possibilita uma descrição abrangente do fenômeno eletromagnético que ocorre dentro do cabo. Por exemplo, o método 3D FEM pode ser aquele descrito em Sturm S. et al., ”Estimating the Losses In ThreeCore Submarine Power Cables Using 2D And 3D FEA Simulations”, Jicable'15, 2015.

[092] As perdas computadas são mostradas na Tabela 3 abaixo.

* Perdas combinas de camadas de telas + armadura
** [Perdas gerais para o caso 1a(2a) - Perdas gerais para o caso 1b ou 1c (2b ou 2c)] / perdas gerais para o caso 1a(2a)

[093] Na Tabela 3 acima, os casos 1a e 2a se referem a duas configurações comparativas da estrutura de cabo da Tabela 1 e a uma espessura de camada de separação de 0,5 mm. Os casos 1b, 1c, 2b, 2c se referem à estrutura de cabo da Tabela 1, em que a espessura de camada de separação é igual a 1,5 mm ou 2,4 mm, de acordo com a presente revelação.

[094] Além disso, os casos 2a, 2b, 2c refletem a estrutura de cabo da Tabela 1, além do fato de que a direção de configuração da camada interna da armadura ser S (ou seja, contracamada em relação à direção de entrançamento Z dos núcleos), enquanto a direção de configuração da camada externa da armadura é Z (ou seja, unicamada em relação à direção de entrançamento Z dos núcleos).

[095] Em comparação aos casos 1a e 2a, a espessura elevada das camadas de separação nos casos 1b, 1c, 2b, 2c é acompanhada por um aumento do número de fios na camada externa da armadura (e por um aumento do diâmetro externo também). Consequentemente, uma maior quantidade de material metálico ferromagnético poderia potencialmente aumentar as perdas. No entanto, a partir dos resultados estabelecidos na Tabela 3, de qualquer modo, uma redução das perdas combinadas é obtida ao aumentar a espessura da camada de separação.

[096] Os resultados da Tabela 3 também mostram que um aumento da espessura da camada de separação da armadura reduz as perdas nas telas também. Essa redução nas perdas da tela é vantajosa porque, as telas estando em uma posição mais central no cabo, as perdas térmicas induzidas ali são mais difíceis de se dissiparem em relação às perdas térmicas nas camadas da armadura circundantes.

[097] Além disso, os resultados da Tabela 3 mostra que, no geral, as perdas combinadas nas telas e camadas de armadura são menores em um cabo em que a camada interna da armadura é unicamada em relação à direção de entrançamento dos núcleos (Casos 1a-1c), em relação ao um cabo em que a camada interna da armadura é contracamada em relação à direção de entrançamento dos núcleos (Casos 2a-2c).

[098] Conforme declarado acima, a redução das perdas combinadas nas telas e camadas de armadura, obtida graças ao uso de uma camada de separação de uma espessura aumentada entre a camada interna e camada externa da armadura, possibilita aumentar a classificação de corrente permitida de um cabo. O aumento da classificação de corrente permitida leva a duas melhorias em um sistema de transporte de AC: aumento da corrente transportada por um cabo de energia e/ou provisão de um cabo de energia com uma área transversal X reduzida do condutor elétrico, o aumento/redução sendo considerado em relação ao caso em que as perdas de armadura são, ao contrário, computadas com um cabo tendo uma camada de separação de uma espessura inferior.

[099] Isso possibilita fabricar um cabo mais potente e/ou reduzir o tamanho dos condutores elétricos com consequente redução do tamanho, peso e custo do cabo.

[0100] Observa-se que, mesmo na descrição e figura acima, os cabos compreendendo uma armadura com duas camadas de fios blindados que foi descrita, a presente revelação também aplica-se a cabos em que a armadura compreende mais de duas camadas, sobrepostas radialmente.

[0101] Nesses cabos, a armadura multicamadas pode compreender a camada interna de fios e a camada externa de fios circundando a camada interna, conforme descrito acima, e uma ou mais camadas adicionais circundando a camada externa, com uma camada de separação entre cada camada e aquela radialmente externa.

[0102] Quanto à(s) camada(s) adicional(is) da armadura que possivelmente circunda(m) a camada externa, deve-se manter a alternância de unicamada/contracamada, com uma camada de separação entre cada camada radialmente adjacente.

Claims

CABO ARMADO (10) PARA TRANSPORTE DE CORRENTE ALTERNADA, caracterizado por compreender:
- - pelo menos um núcleo (12), cada núcleo compreendendo um condutor elétrico (121);
- - pelo menos uma tela metálica (126) circundando o pelo menos um núcleo (12);
- - armadura (16) circundando a tela metálica (126) compreendendo uma camada interna (16a) de fios blindados e uma camada externa (16b) de fios blindados, pelo menos parte dos fios blindados da camada interna (16a) e pelo menos parte dos fios blindados da camada externa (16b) compreendendo um material ferromagnético; e
- - camada de separação (19) entre a camada interna (16a) de fios blindados e a camada externa (16b) de fios blindados, em que a camada de separação apresenta uma espessura maior que 1 mm.
CABO ARMADO (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela camada de separação (19) ser baseada em um material que apresenta uma condutividade térmica maior que 0,1 W/(m·K).
CABO ARMADO (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela camada de separação (19) apresentar uma espessura de no máximo 3 mm.
CABO ARMADO (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos fios blindados da camada interna (16a) e da camada externa (16b) apresentarem uma seção transversal alongada.
CABO ARMADO (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos fios blindados da camada interna (16a) e da camada externa (16b) apresentarem uma seção transversal circular.
CABO ARMADO (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos fios blindados da camada interna (16a) serem enrolados em torno de pelo menos dois núcleos (12), de com uma configuração de enrolamento de armadura helicoidal interna e os fios blindados da camada externa (16b) serem enrolados em torno de pelo menos dois núcleos (12), de acordo com uma configuração de enrolamento de armadura helicoidal externa, a configuração de enrolamento de armadura helicoidal interna e a configuração de enrolamento de armadura helicoidal externa tendo direções opostas.
CABO ARMADO (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos fios blindados da camada interna (16a) serem enrolados em torno de pelo menos dois núcleos (12), de acordo com uma configuração de enrolamento de armadura helicoidal interna e pelo menos os dois núcleos (12) serem entrançados juntos de acordo com uma configuração de entrançamento de núcleo, a configuração de enrolamento de armadura helicoidal interna tendo a mesma direção da configuração de entrançamento de núcleo.
CABO ARMADO (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela camada de separação ser feita de material polimérico ou de fibras naturais.
MÉTODO PARA APERFEIÇOAMENTO DE DESEMPENHOS DE UM CABO ARMADO de CA (10) tendo perdas de cabo quando uma corrente alternada I é transportada, sendo o cabo armado de CA (10) caracterizado por compreender:
- - pelo menos um núcleo (12), cada um compreendendo um condutor elétrico (121) com uma área transversal X dimensionada para operar o cabo armado de CA (10) para transportar a corrente alternada I a uma temperatura condutora operacional máxima permitida θ, conforme determinada pelas perdas do cabo;
- - pelo menos uma tela metálica (126) circundando o pelo menos um núcleo (12);
- - armadura (16) circundando a pelo menos uma tela metálica compreendendo uma camada interna (16a) de fios blindados e uma camada externa (16b) de fios blindados, pelo menos parte dos fios blindados da camada interna (16a) e pelo menos parte dos fios blindados da camada externa (16b) compreendendo um material ferromagnético, as perdas do cabo incluindo perdas do condutor, perdas de tela e perdas de armadura;
- - camada de separação (19) entre a camada interna (16a) de fios blindados e a camada externa (16b) de fios blindados;
método compreendendo as etapas de:
- - redução de perdas combinadas na pelo menos uma tela metálica (126) e na camada interna (16a) e camada externa (16b) da armadura (16) ao fabricar a camada de separação com uma espessura maior que 1 mm;
- - dimensionamento da área transversal X de cada condutor elétrico (121a) com um valor reduzido, esse valor reduzido sendo determinado e possibilitado pelas perdas combinadas reduzidas; e/ou
- - classificação do cabo armado de CA (10) na temperatura condutora operacional máxima permitida θ para transportar a dita corrente alternada I com um valor elevado, esse valor elevado sendo determinado e possibilitado pelas perdas combinadas reduzidas.
MÉTODO DE REDUÇÃO DE PERDAS EM UM CABO ARMADO de CA (10) em que uma corrente alternada I é transportada, o cabo armado de CA (10) caracterizado por compreender:
- - pelo menos um núcleo (12), cada um compreendendo um condutor elétrico (121);
- - pelo menos uma tela metálica (126) circundando o pelo menos um núcleo (12);
- - armadura (16) circundando a pelo menos uma tela metálica compreendendo uma camada interna (16a) de fios blindados e uma camada externa (16b) de fios blindados, pelo menos parte dos fios blindados da camada interna (16a) e pelo menos parte dos fios blindados de camada externa (16b) compreendendo um material ferromagnético, as perdas incluindo perdas de condutor, perdas de tela e perdas de armadura;
- - camada de separação (19) entre a camada interna (16a) de fios blindados e a camada externa (16b) de fios blindados;
o método compreendendo as etapas de:
- - redução de perdas combinadas na pelo menos uma tela metálica (126) e na camada interna (16a) e camada externa (16b) da armadura (16) ao fabricar a camada de separação com uma espessura maior que 1 mm.