BR202018000343U2 - Linha de transmissão aérea de energia elétrica utilizando subfeixes de condutores - Google Patents

Abstract

linha de transmissão aérea de energia elétrica utilizando subfeixes de condutores. o presente modelo de utilidade proporciona uma linha de transmissão aérea de energia elétrica com potência elevada, em corrente alternada trifásica e com feixes de 4 ou mais condutores por fase, caracterizada por utilizar a divisão física dos feixes das fases, em 2 ou mais subfeixes. esta divisão em subfeixes viabilizará o uso de outros tipos de estruturas, e implicará em maior facilidade na fixação dos subfeixes às mesmas e assim proporcionando diversas vantagens técnicas e econômicas, tais como: (1) proporciona economia do aço gasto com a produção de novas estruturas aplicadas na linha de transmissão, (2) reduz a área de terreno desapropriada no local dessas estruturas, (3) permite maior segurança no desempenho dos dispositivos espaçadores dos condutores, por serem mais simples, (4) gera menor volume de escavações com fundações e portanto, menor impacto arqueológico e ambiental, (5) elimina o uso de soluções alternativas, antes forçadamente necessárias para evitar a redução da potência a ser transmitida, (6) melhora o acesso para manutenção das cadeias de isoladores e condutores, por estarem diretamente à estrutura sem a necessidade de cabos de aço de suspensão das cadeias, (7) permite manter a geometria dos condutores e portanto, mantem a potência elevada ao longo de toda a extensão da linha de transmissão. o objeto do presente modelo de utilidade se situa no campo da engenharia elétrica. a esta técnica de subdivisão dos condutores de um feixe em 2 ou mais subfeixes, convencionamos a denominação fantasia de splitfex , por tratar-se de uma divisão de um feixe de condutores.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Modelo de Utilidade

Campo da Inovação

O objeto do presente Modelo de Utilidade se situa no campo da Engenharia Elétrica.

Proporciona uma linha de transmissão aérea de energia elétrica com potência elevada, em corrente alternada trifásica e com feixes de 4 ou mais condutores por fase, caracterizada por aplicar uma divisão física de cada feixe em 2 ou mais subfeixes de dimensões menores, viabilizando assim o uso de outros tipos de estruturas mais baratas e dispositivos espaçadores mais simples, além de permitir o acesso direto pela estrutura para os serviços de manutenção das cadeias e cabos.

Cada subfeixe aqui mencionado é caracterizado por agrupar um número menor de condutores do que o feixe que compõe uma fase da linha de transmissão, sendo todos os condutores de um mesmo subfeixe interligados mecanicamente entre si por meio de um dispositivo espaçador.

A linha de transmissão é composta por três fases e cada fase por feixes de 4 ou mais condutores, operando na tensão elétrica nominal entre fases de 345 kV ou maior.

Antecedentes da Inovação

O atual ambiente do setor elétrico brasileiro induz à permanente otimização do sistema de transmissão, na busca pela redução de custos de construção, manutenção e impactos ambientais, e melhorias de confiabilidade na operação.

A solução já conhecida como LPNE (Linha de Potência Natural Elevada), aplicada em 500 kV ou acima, tem se tornado uma alternativa frequente na ampliação do sistema elétrico brasileiro, utilizando 6 ou mais condutores por fase. Por potência natural, pode-se entender como sendo um valor de potência em MW que é possível de ser transmitido com baixas perdas e maior qualidade na transmissão, além de uma excelente relação custo-benefício na construção e operação. O valor numérico da potência natural pode ser determinado com softwares específicos (p.ex. ATP - Alternative Transient Program), sendo muito sensível à geometria dos feixes e às distâncias entre os vários cabos da linha de transmissão.

As linhas tipo LPNE foram originalmente concebidas com base em projetos de estruturas idealizadas (torre conhecida como crossrope - ver Figura 1), as quais são mais adequadas para solos planos e com boa resistência mecânica, já que podem apresentar maior custo com as fundações de seus dois mastros treliçados. Neste tipo de estrutura, faz-se uso de feixes de condutores dispostos de variadas formas, e agrupados todos entre si por meio de espaçadores

Petição 870180001347, de 08/01/2018, pág. 22/34

2/10 de grandes dimensões, em geral de forma circular ou elíptica, cujos semieixos chegam a valores da ordem de 2,58 x 2,10 m, conforme se vê na Figura 1.

Nas instalações de 500 kV até aqui executadas, notou-se que estas estruturas comportam bem os feixes com seis ou mais condutores, mas requerem estruturas alternativas em solos acidentados, já que que possuem estais que tem longo alcance, e muitas vezes atingem o solo além da faixa de segurança inicialmente prevista no projeto. Em adição, sendo compostas por 2 mastros, o uso destas estruturas fica ainda mais restrito pela restrição na diferença de altura destes, necessária em solos inclinados e imposta pelo cálculo civil estrutural. Tem sido limitada em 6 m a diferença de altura possível nos 2 mastros.

Desta forma, este tipo de construção leva a algumas desvantagens tais como:

(1) os estais dos mastros ocupam grande espaço lateral, muitas vezes avançam para além da faixa de segurança originalmente prevista, (2) os feixes dificultam a manutenção dos condutores e espaçadores pois possuem grandes dimensões, maiores do que a estatura de um trabalhador, dificultando a movimentação do trabalhador sobre o feixe, e o acesso ao componente para manutenção (espaçadores, emendas, cabos, etc), (3) não há conexão direta das cadeias de isoladores com as torres metálicas dos mastros, fato que também dificulta os serviços de manutenção.

(4) a torre crossrope possui 2 mastros, e portanto, requer 2 fundações no solo, encarecendo o projeto principalmente em solos de fraca resistência mecânica, (5) a aplicação desta solução fica comprometida em terrenos não planos, já que neste caso requerem estruturas diferentes, mais caras, denominadas estruturas autoportantes por não possuírem estais, e que a substituem nestas condições,

Como dito, em terrenos mais acidentados esta configuração não consegue manter a potência natural ao longo de toda a extensão da linha de transmissão, pois a topografia irregular do solo requer obrigatoriamente o uso de diversos tipos de estruturas, muitas vezes com geometrias distintas no posicionamento dos feixes nas estruturas, o que altera o valor da potência natural da linha de transmissão. Assim, para reduzir ao mínimo a perda da potência natural, recorre-se a estruturas especiais (tipo autoportante, sem estais), que procuram manter a geometria sempre que possível. Estas estruturas tipo autoportante acabam por apresentar um custo significativo, ou são de projeto inviável quando necessitarem ser ainda mais reforçadas. Nestes casos acaba-se por recorrer a estruturas convencionais com feixes que não apresentam a geometria adequada para caracteriza-la como LPNE. Assim se conclui que o uso de estruturas autoportantes de alto custo entra em contradição com o conceito inicial de LPNE, que é permitir maior potência na transmissão com custos reduzidos na construção.

Também, como dito, por questões construtivas o método para conexão dos feixes e suas cadeias de isoladores às estruturas implica na necessidade de utilizar um cabo de aço transversal à estrutura, dificultando o acesso dos trabalhadores e a manutenção das cadeias de isoladores e cabos condutores.

Petição 870180001347, de 08/01/2018, pág. 23/34

3/10

Em resumo, pelo exposto, é reconhecido no estado da técnica que, quanto mais acidentado for o terreno e quanto menos resistente for o solo, menos propícia será a aplicação de torres do tipo crossrope. São estas as condições que tornam ainda mais promissora a aplicação da inovação aqui proposta.

Na busca por patentes similares, foram localizados alguns documentos que mantém alguma correlação ao Modelo de Utilidade ora pretendido.

O documento PI 1012384-9 A2 é caracterizado por uma LPNE e respectivos processos de instalação, compreendendo feixes de 6 ou mais condutores por fase e dispostos de forma assimétrica em torre tipo crossrope, com pelo menos duas estruturas de transmissão, e respectivo dispositivo espaçador que interliga todos os condutores de cada feixe. A presente inovação difere deste documento por utilizar subfeixes de condutores, ou seja, não é requerido um dispositivo espaçador para a conexão de todos os 6 ou mais condutores do feixe. Em complemento, esta inovação não se restringe ao uso de torres tipo crossrope, e ainda, os subfeixes não terão necessariamente geometria que irá requerer espaçadores assimétricos.

O documento PI 1015807-3 A2 é caracterizado por um dispositivo espaçador que interconectará 6 condutores ou mais de uma LPNE, de forma assimétrica. A presente inovação difere deste documento já que não está sendo reivindicada inovação no projeto de algum dispositivo espaçador.

É importante apontar as diferenças da técnica ora proposta, frente ao conceito de transmissão de energia elétrica utilizando estruturas de circuito duplo, termo este já consagrado no estado da técnica, e que implica no uso de 2 linhas de transmissão com 3 fases ou feixes cada, instaladas numa única estrutura. Entende-se que aos olhos de um leigo, a estrutura e feixes mais compactos apresentados na configuração preferencial das Figuras 5 a 8, e uma estrutura de circuito duplo poderão parecer similares, porém há de se considerar os seguintes pontos que as diferenciam inequivocamente:

(1) Nas estruturas conhecidas como de circuito duplo, tem-se um circuito trifásico localizado no lado direito, e outro no lado esquerdo. Tais circuitos são independentes, podendo inclusive ter seus condutores instalados na estrutura em épocas diferentes, e sua operação é independente. A inovação aqui apresentada trata-se de resolver uma questão de uma única linha trifásica, não sendo objeto desta inovação a divisão desta em duas linhas diferentes de menor capacidade e independentes, (2) A inovação ora proposta utiliza estruturas mais compactas. Supondo hipoteticamente o uso da estrutura, dos subfeixes e espaçadores na forma aqui exemplificados, com os condutores sendo aplicados com a sequência de fases de circuito duplo que se utiliza no estado da técnica, esta aplicação apresentaria níveis de campo elétrico superficial (efeito corona) nos condutores acima do permissível, de forma que não seria possível utilizar a estrutura proposta como uma estrutura de circuito duplo, (3) Os espaçamentos entre os subfeixes buscam atender ao requisito de obter a necessária potência natural, e não o requisito de atender às questões de isolamento elétrico entre as fases, tal como nas estruturas de circuito duplo,

Petição 870180001347, de 08/01/2018, pág. 24/34

4/10 (4) A técnica utilizada para a transposição dos circuitos, apresentada em figura nos anexos, somente é aplicável à linha ora viabilizada, se esta linha for considerada como uma linha de circuito simples.

Deste modo, há de se considerar que o tipo de estrutura e o tipo de arranjo de condutores em subfeixes, apresentados na presente inovação constituem uma forma inédita de propiciar a transmissão de energia elétrica em forma de LPNE de circuito simples.

Do que se conclui do estado da técnica avaliado, e da literatura pesquisada, que não foram encontrados documentos contemplando ou sugerindo a presente inovação, e deste modo entende-se que a solução aqui proposta possui características de novidade e atividade inventiva.

Sumário da Inovação

A presente inovação proporciona uma linha de transmissão aérea de energia elétrica com potência elevada, em corrente alternada trifásica e com feixes de 4 ou mais condutores por fase, caracterizada por aplicar uma divisão física de cada feixe em 2 ou mais subfeixes de dimensões menores, viabilizando assim o uso de outros tipos de estruturas mais baratas e dispositivos espaçadores mais simples, além de permitir o acesso direto via estrutura treliçada, para os serviços de manutenção das cadeias e cabos.

A linha de transmissão é composta por três fases e cada fase por feixes de 4 ou mais condutores, operando na tensão elétrica nominal de 345 kV ou maior, entre fases.

A presente inovação, caracterizada pela utilização dos feixes na forma de subfeixes de condutores, apresenta como consequência o uso de uma nova estrutura a qual, assim como a torre estaiada tipo crossrope, possui estais. No entanto, estes estais apresentam dimensões menores do que a outra, e além disto, permitirá o uso de estruturas com apenas um mastro central. Deste modo, haverá maior aplicação em terrenos não planos, já que os estais desta nova estrutura terão menor alcance, sendo composta por apenas um mastro e respectiva fundação única. Em complemento, a divisão dos feixes em subfeixes irá implicar em dispositivos espaçadores de menores dimensões, cujo funcionamento já é consagrado, além de implicar em estruturas de menor custo (e peso em aço) quando comparado ao custo total despendido na obra. Esta nova estrutura irá permitir a conexão direta das cadeias de isoladores na estrutura metálica, sem o intermédio de cabos de aço como na torre crossrope.

Em uma configuração preferencial, as fases são organizadas em forma de dois subfeixes com 3 condutores cada, como mostra a Figura 2. Nesta configuração preferencial, os condutores são do tipo AAAC, com fios de alumínio liga 1120, preferivelmente de seção transversal 425 mm², e a tensão da linha é de 500 kV com potência natural de cerca de 1685 MW. Com maior simplificação no projeto dos espaçadores, atende-se a menores valores de potência natural (da ordem de 1500 MW), com economia adicional em consequência desta simplificação.

Petição 870180001347, de 08/01/2018, pág. 25/34

5/10

Descrição Detalhada da Inovação

A presente inovação proporciona uma linha de transmissão de energia elétrica de alta potência, utilizando feixe de cabos condutores subdividido em subfeixes, e adicionalmente, utilizando estruturas e espaçadores mais compactos do que o estado da técnica, conectados diretamente às estruturas sem o uso de cabos de aço intermediários.

Cada subfeixe é caracterizado por agrupar um número menor de condutores do que o feixe que forma uma fase da linha de transmissão, sendo todos os condutores de um mesmo subfeixe interligados mecanicamente entre si por meio de um dispositivo espaçador.

A linha de transmissão é composta por três fases, e cada uma por feixes de 4 ou mais condutores, operando na tensão elétrica nominal de 345 kV ou maior, entre fases.

Um dos objetos da inovação, é a concepção de uma linha de transmissão de energia elétrica trifásica, compreendendo:

a) feixe de pelo menos 4 condutores por fase distribuídos em ao menos 2 subfeixes de condutores;

b) o item (a) aplicado em pelo menos uma fase, entre ao menos duas estruturas da linha de transmissão, como método para melhorar a potência natural de uma linha que também emprega outras técnicas mescladas; ou o item (a) aplicado em toda a extensão da linha de transmissão;

c) um dispositivo espaçador para cada subfeixe, de projeto mais simples do que o espaçador atualmente utilizado para estes casos;

d) estruturas metálicas treliçadas para instalação apropriada dos subfeixes de condutores, facilitando os serviços de manutenção e mantendo a potência natural dentro dos limites requeridos para o projeto.

É objeto adicional da presente inovação a concepção do projeto básico das estruturas metálicas treliçadas, compreendendo a fixação de condutores em subfeixes com geometria apropriada, de modo que:

i) seja possível atingir a potência natural dentro dos limites requeridos para o projeto, ii) a geometria não implicará em campo elétrico superficial excessivo (efeito corona) nos cabos condutores, nem implicará em aumento da faixa de segurança em relação ao já utilizado no estado da técnica, iii) a geometria atenderá aos espaçamentos requeridos para os cabos condutores no que se refere aos quesitos do isolamento elétrico, com e sem ação do vento sobre os condutores,

Petição 870180001347, de 08/01/2018, pág. 26/34

6/10 iv) o projeto básico estrutural civil permitirá a conexão direta dos subfeixes de condutores à estrutura, facilitando os serviços de manutenção.

As configurações preferenciais aqui citadas representam apenas algumas das maneiras de se abordar a questão da divisão do feixe em subfeixes, e têm o intuito somente de exemplificar algumas maneiras de se realizar a inovação, contudo sem limitar o escopo da mesma.

Condutores e subfeixes

Os condutores da presente inovação compreendem qualquer material capaz de transmitir energia elétrica de um ponto a outro. Em uma configuração preferencial, as fases são organizadas em forma de dois subfeixes com 3 condutores do tipo AAAC, com fios de alumínio liga 1120, preferivelmente de seção transversal 425 mm². Nesta configuração preferencial a tensão da linha é de 500 kV, com potência natural de cerca de 1685 MW. Se operar em 525 kV (padrão do sistema elétrico no Sul do Brasil), o mesmo projeto propicia 1858 MW. Com maior simplificação no projeto dos espaçadores, atende-se a menores valores de potência natural (p.ex. 1500 MW), com economia adicional em consequência da simplificação.

Dispositivos espaçadores

No estado da técnica de LPNE em 500 ou 525 kV, utilizam-se feixes com 6 condutores interligados entre si com espaçadores especiais de grandes dimensões (em forma de elipse com semieixo maior de 2,5 m) e peso (espaçadores em aço com cerca de 110 kg), tal como o representado na Figura 1. Não há histórico do desempenho deste dispositivo ao longo de décadas de operação.

Ao se dividir o feixe em subfeixes, como aqui proposto, se irá requerer espaçadores de dimensões e pesos bem mais reduzidos. As dimensões dos espaçadores são definidas por cálculo, de forma a ser obtida a potência natural requerida na linha de transmissão específica. Em uma configuração preferencial, para se obter 1685 MW de potência natural em 500 kV, cada fase da linha de transmissão com 6 condutores por feixe será provida de 2 subfeixes com 3 condutores cada, dispostos na forma de um triângulo equilátero com 750 mm de lado, como se apresenta nas Figuras 2 e 3.

Com maior simplificação no projeto dos espaçadores, consegue-se menores valores de potência natural (da ordem de 1500 MW), utilizando espaçadores de 457 mm de lado, já bem conhecidos no estado da técnica.

Potência Natural

Para uma configuração preferencial de feixe com 2 subfeixes de 3 condutores, utilizando as torres compactas das Figuras 5 a 8 da presente inovação, a potência natural chega a um valor

Petição 870180001347, de 08/01/2018, pág. 27/34

7/10 de cerca 1685 MW quando aplicado em sistemas de 500 kV, e cerca de 1858 MW em 525 kV, se utilizados dispositivos espaçadores triangulares com 750 mm de lado.

Como embasamento a esta questão, seguem-se os resultados do programa ATP (Alternative Transient Program), utilizado em estes cálculos, e aplicado a esta configuração:

Sequence

Surge impedance

Attenuation velocity

Zero magnitude(ohm) angle(degr.) db/km km/sec

Positive:

5.65127E+02 -8.02688E+00 2.79181E-03

1.48299E+02 -2.07788E+00 4.08763E-04

1.65401E+05

2.90645E+05

Wavelength km 2.75668E+03 4.84408E+03

Resistance ohm/km 3.59726E-01 1.39489E-02

Reactance ohm/km

1.25008E+00

1.91977E-01

Susceptance mho/km

4.07308E-06

8.75218E-06

Do relatório acima se obtém os valores para a potência natural, de 500² / 1.48299E+02 = 1685 MW, e 525² / 1.48299E+02 = 1858 MW .

Há de se considerar pequenas reduções na potência natural, provenientes da aplicação de estruturas em ângulo (desvios), que são projetadas com pequeno acréscimo no distanciamento entre os condutores de forma a atender ao maior ângulo possível de utilização, porém muitas vezes são aplicadas em ângulos menores. No entanto, tais reduções serão aceitáveis com o que se considera no estado da técnica.

Cadeias de isoladores

As cadeias de isoladores da linha de transmissão de energia elétrica para a presente inovação incluem qualquer tipo de isolador ou ferragem já conhecido. Em uma configuração preferencial, a Figura 3 mostra o projeto de uma cadeia de suspensão para um subfeixe de 3 condutores. É requisito necessário que esta cadeia apresente o menor comprimento possível, desde que atenda aos demais requisitos técnicos do projeto, incluindo facilidades específicas para a manutenção. Isto é necessário para que se obtenha a estrutura compactada a ponto suficiente para se permitir obter a potência natural pretendida, atendendo aos valores de balanços de condutores da Figura 4, e atendendo aos requisitos de projeto civil estrutural para a estrutura metálica treliçada.

As cadeias serão fixadas diretamente nas torres, tal como mostra as figuras 3 e 5 a 8, diferentemente do estado da técnica ilustrado na figura 1, a qual utiliza um cabo de aço intermediário na fixação, e que acaba por dificultar os serviços de manutenção.

Petição 870180001347, de 08/01/2018, pág. 28/34

8/10

Campos elétricos superficiais dos condutores

Como embasamento para demonstração da viabilidade da inovação apresentada, estudou-se os campos elétricos superficiais dos condutores.

A verificação do campo elétrico superficial foi feita por meio de um programa de computador utilizando uma técnica otimizada para tais cálculos, descrita no artigo “Improving The Charge Simulation Method For The Computation Of High Voltage Electric Fields With Efficient Least Squares Techniques” (J.N.Hoffmann-P.Pulino), publicado no periódico “Applied Computational Electromagnetics Society Journal” - ISSN 1054-4887, Vol.12, No. 1, 1997 . O programa de computador e o artigo são de autoria de um dos inventores.

Desta forma, obteve-se os seguintes valores para as configurações preferenciais apresentadas, os quais encontram-se dentro dos limites que podem ser avaliados pelo estado da técnica:

Tabela 1 - Valores máximos de campos elétricos superficiais nos condutores

Tipo de LPNE	Valor máximo em 1 dos condutores (kV/cm)	Média dos máximos na fase (kV/m)
LNPE 1685/1850 MW (tensão 550kV, triângulo de 750mm)	19,9	19,2
LNPE 1500 MW (tensão 550kV, triângulo de 457 mm)	18,6	18,1

Estudos de emissão eletromagnética e dimensionamento da faixa de segurança

Como embasamento para demonstração da viabilidade da inovação apresentada, foram elaborados estudos de emissão eletromagnética e dimensionamento da faixa de segurança.

Incluem-se nestes estudos a verificação do atendimento às Normas Técnicas dos valores de Campos Elétrico e Magnético, Rádio-Interferência e Ruído Audível ao nível do solo, e verificação do balanço dos condutores sob vento. Para as configurações preferenciais avaliadas (LPNE de 1500 ou 1685 MW em 500 kV, 1850 MW em 525 kV com 2 subfeixes de 3 condutores por fase), verificou-se atendimento a todos estes requisitos com os métodos de cálculo disponíveis no estado da técnica, para uma largura de faixa de segurança de 60 m (30 m a partir do eixo da linha), e um vão de 500 m entre estruturas.

Já na avaliação da altura mínima dos cabos condutores, foi verificado a necessidade de se aumentar em cerca de 1 m a altura, em relação à solução tradicional de feixes elípticos de 6 condutores, considerando o requisito vigente do item de campo elétrico máximo de 8,33 kV/m no interior da faixa de segurança. Chega-se a tal valor com um cálculo 3D dos campos elétricos ao nível do solo, tal como apresentado no artigo “Cálculo de Campo Elétricos Tridimensionais Típicos em Linhas de Transmissão” (J.N.Hoffmann), SNPTEE 2011, de autoria de um dos inventores.

Claims (1)

1. REIVINDICAÇÃO

   1. Linha de transmissão aérea de energia elétrica utilizando subfeixes de condutores, em corrente alternada trifásica, com tensão entre fases de 345 kV ou acima deste valor, e com feixe de 4 (quatro) ou mais condutores por fase, caracterizada por aplicar a divisão de ao menos 1 (um) dos feixes em 2 (dois) ou mais subfeixes de condutores, cada subfeixe com 1 (um) ou mais condutores, estando estes condutores se mais do que 1 (um) - interligados mecanicamente por um único dispositivo espaçador, e sendo esta divisão do feixe aplicada entre ao menos 2 (duas) estruturas suporte da linha de transmissão.