BRPI0721336A2 - cabo de energia - Google Patents

Abstract

CABO DE ENERGIA. Um cabo de energia compreende pelo menos dois condutores de energia (16-18), pelo menos um condutor terra (25-27) e uma camisa externa tubular (34) circundando condutores de energia e condutor terra, cada condutor de energia compreendendo um núcleo condutor (19-21) e uma camada de isolamento (22-24) circundando dito núcleo condutor, os condutores de energia sendo retorcidos contatando um ao outro, o condutor terra (25-27) tendo um diâmetro menor que os condutores de energia e sendo posicionado na área intersticial entre dois condutores de energia adjacentes (16-18) e a camisa externa (34), o condutor terra contatando os dois condutores de energia ao longo de duas linhas de contato respectivas e a camisa externa ao longo de uma porção de extradorso voltada para o exterior com respeito ao cabo. A camisa externa (34) tem espessura substancialmente constante, as superficies laterais (35, 36) do condutor terra (25-27) sendo isentas de restrições entre ditas linhas de contato com os condutores de energia e ditos extradorsos contatados pela camisa externa.

Description

"CABO DE ENERGIA"

A presente invenção refere-se a um cabo de energia, particularmente um cabo de energia para uso em uma instalação de energia eólica.

Um moinho de vento compreende uma torre e uma nacela em seu topo. A nacela aloja, dentre outros, o sistema de gerador, as lâminas e o transformador. A nacela é apropriada para ser pivotada (com respeito ao eixo geométrico de torre) para seguir as alterações de direção do vento.

Um cabo de energia é posicionado para se estender do transformador (sobre o topo de torre) para a base de torre (onde a energia elétrica gerada é transportada para a rede de distribuição ou fornecida diretamente para um usuário final), dito cabo sendo verticalmente posicionado ao longo do desenvolvimento longitudinal da torre, dentro da mesma.

Tipicamente, o cabo de energia é um cabo tripolar e geralmente compreende três condutores de energia isolados (cada condutor de energia compreendendo: condutor + camada semicondutora interna + isolamento + camada semicondutora externa) e três condutores terra, cada condutor terra sendo posicionado na área interintersticial formada entre dois condutores de energia adjacentes. Os três condutores de energia e os três condutores terra são helicoidalmente retorcidos e a instalação inteira é sucessivamente revestida com uma camisa externa de cabo.

Os projetos de cabo conhecidos na arte, os quais são apropriados para ser usados em um moinho de vento, são tipicamente providos com uma camisa externa que penetra nas áreas intersticiais presentes entre os condutores terra e os condutores de energia de cabo (isto é devido ao fato de que a camisa externa é extradorso sob pressão sobre o conjunto de condutores de energia / condutores terra). Por conseguinte, nos projetos de cabo conhecidos na arte, a camisa externa tem uma espessura que não é constante na seção transversal de cabo, dita espessura sendo extraordinariamente maior em correspondência às áreas intersticiais que nos extradorsos de condutores de energia de cabo.

Devido ao movimento de rotação da nacela tanto na direção horária quanto na direção anti-horária, o cabo de energia é sujeito a ciclos de tensões torsionais alternadas. Especificamente, as tensões torsionais aparecem no comprimento de cabo que é livremente posicionado dentro da torre, isto é, o comprimento de cabo que sai do transformador e é suspenso dentro da torre antes de ser fixado na sua parede lateral (dito comprimento de cabo é de aproximadamente 18-20 m, enquanto a altura de torre é tipicamente de 60-100 m). Geralmente, um moinho de vento é operado para fazer 5 voltas completas (360°, cada volta) em uma dada direção (por exemplo, horária) e então a rotação é invertida (5 voltas na direção oposta, por exemplo, anti-horária). Em uma média, um moinho de vento faz uma volta/dia, uma vez que a direção de vento geralmente varia por não mais que 180° em 24h.

Quando cabos de energia de acordo com a arte conhecida são empregados, pode acontecer que as tensões torsionais alternadas causam um rompimento prematuro dos condutores terra. Uma vez que o rompimento de alguns condutores elétricos de um condutor terra geralmente causa uma significante variação na resistência elétrica do condutor terra, o cabo de energia requer ser substituído e o moinho de vento ser paralisado para permitir sua manutenção extraordinária.

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E um objetivo da presente invenção prover um cabo de energia que tem resistência melhorada a tensões torsionais durante operação do mesmo (particularmente, durante operação em uma instalação de energia eólica com temperatura de condutor de aproximadamente 90°C).

Um outro objetivo da invenção é prover um cabo que tem uma vida útil de serviço mais longa, permitindo que o cabo seja mantido em funcionamento sob condições de operação normais por mais que 20 anos, que é a vida útil normal de serviço de uma instalação de energia eólica. Um outro objetivo da invenção é prover um cabo de energia que tem uma estrutura compacta com volume limitado. Um outro objetivo da invenção é prover um cabo de energia que tem uma estrutura simples e que é fácil de ser fabricado.

A fim de solucionar o problema acima, de acordo com a invenção, é provido um cabo de energia compreendendo pelo menos dois condutores de energia, pelo menos um condutor terra e uma camisa externa tubular circundando os condutores de energia e o condutor terra, cada condutor de energia compreendendo um núcleo condutor e uma camada de isolamento circundando dito núcleo condutor, os condutores de energia sendo retorcidos contatando um ao outro, o condutor terra tendo um diâmetro menor que os condutores de energia e sendo posicionado em uma área intersticial definida entre dois condutores de energia adjacentes e a camisa externa, o condutor terra contatando os dois condutores de energia ao longo de duas linhas de contato respectivas, caracterizado pelo fato de que a camisa externa tem espessura substancialmente constante e contata o condutor terra ao longo de uma porção de extradorso voltada para o exterior com respeito ao cabo, as superfícies laterais do condutor terra sendo isentas de restrições entre ditas linhas de contato com os condutores de energia e ditos extradorsos contatados pela camisa externa.

Para melhor explicação dos princípios inovadores da presente invenção e das vantagens que ela oferece sobre a arte conhecida, uma possível forma de concretização que aplica ditos princípios será descrita daqui por diante, a título de exemplo, com a ajuda dos desenhos acompanhantes. Nos desenhos:

- a figura 1 mostra um moinho de vento para geração de energia compreendendo um cabo de acordo com a presente invenção,

- a figura 2 mostra uma seção transversal de um cabo de acordo com a invenção. Com referência aos desenhos, a figura 1 mostra um moinho de vento 11 para geração de energia elétrica. O moinho de vento 11 compreende uma nacela 12 montada sobre o topo de uma torre 13. A nacela é pivotadamente montada sobre a torre para seguir as alterações de direção do vento. A nacela 12 aloja, dentre outros, o sistema de gerador, as lâminas e o transformador.

Um cabo de energia 14 é posicionado para se estender do transformador (alojado na nacela 12) para a base de torre 15 (onde a energia elétrica gerada é transportada para a rede de distribuição ou fornecida diretamente para um usuário final), dito cabo sendo verticalmente suspenso ao longo do desenvolvimento longitudinal da torre 13, dentro da mesma.

A figura 2 mostra uma seção transversal do cabo de energia 14, o qual, de acordo com uma forma de concretização da invenção, é um cabo de 3 fases compreendendo três condutores de energia 16-18. Cada condutor de energia 16-18 compreende um condutor de

núcleo interno 19-21 circundado por uma camada de isolamento 22-24. Vantajosamente, como mostrado na figura 2, o condutores de núcleo internos 19-21 compreendem um condutor metálico 19a-21a, recoberto por uma camada semicondutora interna 19b-21b. Uma camada semicondutora externa 22a-24a circunda a camada de isolamento 22-24.

Os condutores de energia 16-18 são helicoidalmente retorcidos ao longo do cabo, contatando um ao outro tangencialmente. De acordo com a figura 2, os condutores de energia 16-18 definem um interstício central e três áreas intersticiais externas; cada das áreas intersticiais externas recebe um condutor terra 25-27, tendo um diâmetro menor que os condutores de energia 16-18.

Cada condutor terra 25-27 pode compreender um condutor de núcleo interno 28-30 circundado por uma camada externa semicondutora 31- 33. Como mostrado na figura 2, de acordo com uma forma de concretização da invenção, o eixo geométrico dos condutores terra 25-27 estão situados sobre um perfil helicoidal tendo raio Ri diferente do raio R2 do perfil helicoidal definido pelo eixo geométrico dos condutores de energia 16- 18. O raio R1 corresponde ao raio do cilindro primitivo sobre o qual a hélice está situada, isto é, Ri corresponde ao raio de enrolamento do eixo geométrico do condutor (dos condutores terra 25-27) enrolada ao longo da hélice. O mesmo se aplica ao raio R2 com respeito aos condutores de energia dos condutores de núcleo internos 19-21. Particularmente, o raio Ri do perfil helicoidal definido pelo eixo geométrico dos condutores terra é maior que o raio R2 do perfil helicoidal definido pelo eixo geométrico dos condutores de energia. O cabo 14 compreende também um camisa tubular externo 34, o qual circunda os condutores de energia 16-18 e os condutores terra 25-27.

Cada condutor terra 25-27 permanece posicionado entre dois condutores de energia adjacentes e a parede da camisa externa 34, contatando os dois correspondentes condutores de energia ao longo de duas linhas de contato respectivas. Cada condutor terra 25-27 também contata a camisa externa 34 ao longo de uma porção de extradorso voltada para o exterior com respeito ao cabo 14.

A camisa externa 34 é realizado com uma espessura substancialmente constante, de modo que as áreas intersticiais entre os condutores terra 25-27 e os condutores de energia 16-18 permanecem livres. Particularmente, com referência ao condutor terra 26, as superfícies laterais 35, 36 do mesmo são isentas de restrições entre as linhas de contato com os condutores de energia 16, 17 e os extradorsos contatados pela camisa externa 34. O mesmo se aplica aos outros condutores terra 25 e 27.

Vantajosamente, uma fita semicondutora 40 pode ser helicoidalmente enrolada em torno dos condutores de energia 16-18 e condutores terra 25-27, a fita semicondutora 40 favorecendo o contato elétrico entre as superfícies aterradas externas dos condutores. Neste caso, a camisa externa 34 contata as porções de extradorso dos condutores terra 25-27 com a interposição da fita 40. A presença da fita 40 pode favorecer o movimento recíproco entre os condutores 16-18, 25-27 e a bainha externa 34.

Além disto, cada condutor de energia 16-18 é preferivelmente provido com uma fita semicondutora 41-43, helicoidalmente enrolada sobre a superfície externa das camadas semicondutoras externas 22a-24a. Este arranjo pode favorecer o movimento recíproco entre os condutores de energia 16-18 e os condutores terra adjacentes 25-27 na torção do cabo 14.

A requerente tem observado que, especialmente quando os condutores de energia de cabo (especificamente o centro - o eixo geométrico neutro - de cada cabo condutor de energia) estão situados sobre um diâmetro de hélice que é diferente do diâmetro de hélice sobre o qual estão situados os condutores terra (especificamente o centro - o eixo geométrico neutro - de cada condutor terra), uma torção sobre o cabo pode originar tensões de diferentes magnitudes nos condutores de energia de cabo e nos condutores terra.

No cabo de acordo com a arte conhecida, o material de camisa externo é presente nas áreas intersticiais entre condutores de energia e condutores terra, encobrindo as superfícies dos condutores terra que estão voltadas para os condutores de energia, "congelando" assim a posição recíproca dos condutores de energia de cabo e os condutores terra. Como uma conseqüência, os condutores terra são substancialmente prevenidos de qualquer movimento radial e/ou circunferencial durante torção do cabo em virtude do movimento de pivotamento da nacela: essa situação pode causar tensões axiais (que derivam das tensões torsionais aplicadas sobre o cabo em virtude de uma rotação da nacela) nos condutores terra, os quais, depois de um dado número de ciclos torsionais, podem causar rompimento dos condutores terra (ou uma redução de seu desempenho, por exemplo, por causa do rompimento de um ou mais condutores elétricos dos mesmos) devido a tensões de tração ou de compressão.

De acordo com a invenção, a resistência de cabo às tensões torsionais é aumentada por permitir que os condutores terra se movam na direção radial e/ou na direção circunferencial. A depositante verificou que a provisão do cabo com uma camisa externa cujo material não penetra nas áreas intersticiais de cabo entre condutores de energia e condutores terra, tendo assim a superfície lateral dos condutores terra voltados para os condutores de energia isentos de restrições. Isto permite que os condutores terra se movam nas direções radial e/ou circunferencial com respeito aos condutores de energia de cabo, uma vez que a força exercida pela camisa externa sobre os condutores terra é sensivelmente reduzida com respeito aos cabos conhecidos na arte, nos quais o material de camisa externo penetra as áreas intersticiais.

Durante operação do moinho de vento, uma modificação da posição recíproca dos condutores terra - com respeito aos condutores de energia de cabo (dentro da estrutura de cabo) permite uma distribuição favorável das tensões que são transferidas para o cabo (em particular para os condutores terra do mesmo) durante os ciclos torsionais alternados que o cabo fica submetido, no uso. De fato, por permitir que os condutores terra modifiquem sua posição com respeito aos condutores de energia de cabo, os condutores terra podem sentir resistência às tensões torsionais e axiais, uma vez que perigosas concentrações de tensão (tensões de tração ou de compressão - dependendo da direção de torção aplicada ao cabo - são localizadas sobre limitadas áreas dos condutores terra) podem ser apropriadamente evitadas, aumentando assim vantajosamente a vida útil de serviço do cabo.

O cabo é provido com uma camisa externa 34 tendo uma espessura substancialmente constante. Preferivelmente, a camisa externa é obtido por meio de extrusão na forma de um tubo. Preferivelmente, em uma seção transversal do cabo, a camisa externa 34 tem um perfil substancialmente retilíneo entre um condutor de energia 16-18 e os extradorsos de um condutor terra adjacente 25-27. Em uma forma de concretização da invenção, o perfil da camisa externa 34 é também substancialmente retilíneo entre dois condutores de energia adjacentes 17-19, sendo tangente aos extradorsos do condutor terra interposto 25-27 sobre uma superfície longitudinal estreita do mesmo. Os dados técnicos de uma forma de concretização de um cabo de acordo com a invenção são reportados na

seguinte tabela.

Fases (ou condutores de energia): 3 χ 25 mm2 Núcleo condutor Cobre; diâmetro nominal: 6,5 mm Camada semicondutora interna Espessura nominal: 0,8 mm; obtida por extrusão Camada semicondutora externa Espessura nominal: 1,0 mm; obtida por extrusão Fita semicondutora Passo de torção nominal: 33,1 mm Condutores terra: 3 χ 10 mm2 Núcleo condutor Cobre; diâmetro nominal: 4,3 mm Camada semicondutora Espessura nominal: 1,2 mm; obtida por extrusão Conjunto Fases + Condutores terra + Fita semicondutora Diâmetro nominal do conjunto: 46,4 mm; Bainha externa Espessura nominal: 3,5 mm; diâmetro nominal externo: 53,4 mm; obtida por extrusão de tubo; Área de seção extrudada aproximada total: 680 mm2.

Como indicado na tabela, o conjunto "condutores terra /

condutores de energia" é enrolado por uma fita semicondutora 40. Os testes de resistência realizados no cabo de acordo com a invenção mostraram resultados surpreendentemente bons em resposta às tensões torsionais.

O cabo foi testado com ciclos torsionais, cada ciclo compreendendo quatro voltas na direção horária, quatro voltas na direção anti-horária para atingir a posição neutra, quatro voltas na direção anti-horária e então quatro voltas na direção horária para atingir novamente a posição neutra.

No teste, quatro voltas foram aplicadas ao cabo (e não cinco, como usualmente ocorrem na operação do moinho de vento) quando o teste foi realizado em um comprimento de cabo que tinha menos que o comprimento de cabo livre normalmente presente na torre de moinho de vento. Por conseguinte, as quatro voltas no teste corresponderam à tensão de torção real que é aplicada ao cabo em uso quando cinco voltas são aplicadas.

Depois de 2500 ciclos torsionais (como descrito acima), o cabo não mostrou qualquer sinal de colapso ou rompimento. O limite de 2500 ciclos é considerado corresponder a uma vida útil de serviço de 25 anos sob condições de operação normais (tipicamente, uma instalação de energia eólica tem uma vida útil média de 20 anos).

Executando o mesmo teste de resistência nos cabos fabricados de acordo com a arte conhecida, com a bainha externa extrudada de modo que as áreas intersticiais entre condutores de energia e condutores terra são ocupadas pela bainha externa, um rompimento do cabo foi experimentado depois de somente 1250 ciclos torsionais. O cabo de acordo com a arte conhecida, o qual foi testado, tinha os mesmos condutores da forma de concretização descrita acima com o mesmo dimensionamento, a única diferença sendo que a bainha externa penetrou nas áreas intersticiais entre os condutores de energia e os condutores terra. Por conseguinte, a área de seção extrudada total do cabo da arte anterior foi de aproximadamente 925 mm2 (em lugar de 680 mm para o cabo da invenção) e a área intersticial extrudada do cabo da arte anterior foi de aproximadamente 245 mm2 (em lugar de aproximadamente zero para o cabo da invenção).

O cabo de energia da presente invenção, o qual é especialmente pretendido para uso em uma instalação de energia eólica, tem uma resistência melhorada a tensões torsionais com respeito a um cabo comparável da arte anterior.

Além disto, a vida útil de serviço de um cabo de acordo com a invenção é consideravelmente longa e permite reduzir a chance de rompimento devido à tensão mecânica do mesmo. Além disto, graças ao arranjo dos condutores terra nos interstícios entre condutores de energia retorcidos adjacentes, o conjunto total do cabo de energia é extremamente compacto com um volume total limitado.

A descrição acima de uma forma de concretização que aplica os princípios inovadores da presente invenção é tomada somente a título de exemplo. Por exemplo, o cabo pode compreender um número diferente de condutores de energia, por exemplo, um cabo de 2 fases com dois condutores de energia pode ser considerado.

Claims (7)

1. Cabo de energia compreendendo pelo menos dois condutores de energia (16-18), pelo menos um condutor terra (25-27) e uma camisa externa tubular (34) circundando condutores de energia e condutor terra, cada condutor de energia compreendendo um núcleo condutor (19-21) e uma camada de isolamento (22-24) circundando dito núcleo condutor, os condutores de energia sendo retorcidos contatando um ao outro, o condutor terra (25-27) tendo um diâmetro menor que os condutores de energia e sendo posicionado em uma área intersticial definida entre dois condutores de energia adjacentes (16-18) e a camisa externa (34), o condutor terra contatando os dois condutores de energia ao longo de duas linhas de contato respectivas, caracterizado pelo fato de que a camisa externa (34) tem espessura substancialmente constante e contata o condutor terra ao longo de uma porção de extradorso voltada para o exterior com respeito ao cabo, as superfícies laterais (35, 36) do condutor terra (25-27) sendo isentas de restrições entre ditas linhas de contato com os condutores de energia e ditos extradorsos contatados pela camisa externa.

2. Cabo de energia de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os condutores de energia (16-18) são três.

3. Cabo de energia de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um condutor terra (25-27) é presente em cada área intersticial entre dois condutores de energia adjacentes (16-18) e a camisa externa (34).

4. Cabo de energia de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o eixo geométrico do condutor terra (25-27) define uma hélice tendo raio (Rj) diferente do raio (R2) da hélice definida pelo eixo geométrico dos condutores de energia (16-18).

5. Cabo de energia de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, em uma seção transversal do cabo, a camisa externa (34) tem um perfil substancialmente retilíneo entre dois condutores de energia adjacentes (16-18), sendo tangente aos extradorsos do condutor terra interposto (25-27) sobre uma superfície longitudinal estreita do mesmo.

6. Cabo de energia de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camisa externa (34) tem um perfil substancialmente retilíneo entre um condutor de energia (16-18) e os extradorsos de um condutor terra adjacente (25-27).

7. Cabo de energia de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os condutores terra (25-27) são três.