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Atividade avaliativa
Tipologia: Notas de estudo
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Macapá-AP 2011
Atualmente, um dos maiores problemas a ser enfrentado pela engenharia elétrica no que diz respeito a transmissão de energia se dá exatamente com a perda de potencia ao longo das linhas de transmissão. Segundo informações atualizadas do panorama elétrico brasileiro, o nosso sistema elétrico apresenta perdas técnicas da ordem de 15%, o que traduzido em potencia fica em torno de 54 milhões de MWh que ocorre desde a eletricidade que é gerada nas usinas, passando pelas linhas de transmissão e redes de didtribuição até chegar na tomada do consumidor final. Se fosse adotado o padrão internacional para perdas de energia, que chega ate 6% o Brasil teria um ganho de disponibilidade de energia elétrica de 33 milhões de MWh, equivalente ao que produz em um ano uma usina elétrica de 6500 MW de potencia instalada (o mais da metade da produção da usina de Itaipu). As medidas necessárias para promover esta reduação destas perdas consistem basicamente no melhor isolamento nas linhas e na substituição de equipamentos antigos ou defeituosos, como os transformadores. Elas representam custos muito menores do que os investimentos para a construção de novas usinas. Longe das medidas politicas e econômicas, é interessante conhecer e minimizar as perdas de potencia que ocorre nas linhas de transmissão por efeitos eletrofisicos. A engenharia elétrica tem a missão de conhecer tais efeitos para poder trata-los de forma adequada minimizando seus efeitos, buscando a otimização da distribuição elétrica. Este trabalho mostrara um estudo não muito profundo a respeito dos principais efeitos causadores de perda de potencias na LT‟s: Corona, Pelicular, Hall e Ferranti.
No âmbito de sistemas de transmissão de energia elétrica, o efeito coroa é, na maioria das situações, indesejável. Uma linha sob efeito coroa possui perdas elétricas, emite ruído no espectro eletromagnético, afetando faixas de rádio e TV; ruído acústico, geração de ozônio, etc. Para linhas longas de extra-alta tensão (345 kV ou superior), o efeito coroa é fator determinante no projeto, no qual as perdas estimadas pelo fenômeno equivalem em ordem de grandeza às perdas por efeito Joule. Uma curiosidade interessante é que o efeito Corona também é conhecido como “Fogo de Santelmo”. O nome Fogo de Santelmo vem de Santo Elmo, padroeiro dos marinheiros, e surgiu quando antigos marinheiros observavam navios com os mastros envolvidos por uma tênue luz. Mais tarde, observou-se que tal luz ocorria principalmente nas regiões tropicais, em condições que precediam tempestades. As nuvens eletrizadas induziam as cargas nas pontas dos mastros, produzindo o efeito corona.
1.2. Comportamento físico
O efeito coroa é gerado e sustentado por diversos mecanismos de ionização. Alguns processos serão dominantes, de acordo com a região no espaço e o instante, mas as ionizações secundárias possuem um efeito importante no processo. O processo mais relevante é a ionização por colisão de partículas, porém este processo não é auto- inicializável. A ionização associada ao efeito coroa, de grande complexidade, pode ser descrita resumidamente pelos seguintes aspectos:
adicional. Se esta energia for suficiente para, no choque com um átomo, receber energia adicional suficiente para sua ionização, o átomo neutro libera outro elétron, aumentando a quantidade de elétrons no meio.
Basicamente, podemos resumir de forma mais clara, o comportamento do efeito:
Corona em Condutor negativo:
O coroa em torno de um anodo cilíndrico é caracterizado pela irregularidade, comparado ao coroa positivo. A partir do limiar de campo elétrico, em pontos distintos, ocorrem os denominados impulsos de Trichel. Conforme se aumenta a tensão no sistema, aumenta-se a amplitude e freqüência destes impulsos.
1.3. Diferença de Efeito Corona entre CA e CC
O regime sinusoidal nos cabos de corrente alternada produz efeitos completamente distintos à corrente contínua. O campo alternado não permite o desprendimento de grande parte dos íons, ficando estes próximos ao condutor, ao contrário do campo contínuo, onde os íons espalham-se pelo campo (essencialmente)
unidirecional. Conseqüentemente, pela distância atingida pelos íons em corrente contínua, estes ficam mais suscetíveis à ação do vento. O efeito em cada fase na CA é aproximadamente uniforme, havendo variação somente pela diferença de intensidade do campo elétrico em cada cabo. Em CC, cada pólo possui efeito completamente distinto, não somente dependendo da intensidade do campo, mas devido à diferença de partículas envolvidas, observado claramente em laboratório. Na presença de campo elétrico contínuo, ocorre polarização de partículas em suspensão no ar, as quais se acumulam na superfície dos condutores, alterando o estado da superfície. Este fenômeno é determinante para uma estimativa do fator de superfície de condutores ao longo da vida útil da linha, sendo bastante distinta entre linhas CA e CC, afetando desta forma rotinas de inspeção e manutenção. Um estudo econômico da linha pode considerar este efeito, no qual a degradação do fator de superfície converter- se-á em aumento na perda por efeito coroa.
e para fios paralelos, a distâncias muitos superiores ao diâmetro, e com outros objetos a distância dos condutores muito superior à distância entre eles:
sendo o campo elétrico superficial limite para a ocorrência do efeito, r o raio do condutor, m o fator de superfície (ou de forma) e a densidade relativa do meio. Neste modelo assume-se que o efeito ocorrerá de forma uniforme ao longo do condutor, sendo na realidade inicializado próximo às imperfeições (mossas, defeitos, danos em geral, gelo, partículas devido a poluição, etc). O efeito também é alterado pela própria forma canelada do condutor.
Modelo de Whitehead:
Sendo contemporâneo de Peek, Whitehead (1910) obteve uma fórmula no mesmo molde:
Modelo de Tikhodeyev:
Tikhodeyev (1976) apresentou uma proposta de fórmula, aplicada aos condutores em corrente contínua:
Este trabalho, feito com menos rigor ao de Peek (1929), apresenta desvios inferiores a 4%. Entretanto, com a imprecisão relativa ao parâmetro m, este desvio torna-se pouco significativo.
Modelo de Portela e Santiago:
O trabalho de Portela e Santiago (1991) apresenta uma formulação alternativa, neste caso obtendo o raio do condutor, , no qual o campo elétrico superficial especificado é crítico:
sendo.
Esta formulação provou-se mais adequada na extrapolação do raio tendendo ao infinito, tendendo a uma superfície plana, no qual se conhece seu campo elétrico de ruptura, da ordem de.
Comparação entre os modelos:
efeito joule, porém as perdas máximas podem ter influencia significante nas demandas dos sistemas, pois a capacidade geradora para atender a essa demanda adicional deverá ser prevista ou a diferença de energia importada. Em vista do exposto, pode-se concluir que, para as linhas de transmissão em tensões extra e ultra-elevadas, o dimensionamento econômico das linhas está diretamente relacionado com a escolha do gradiente de potencial máximo admissível na superfície dos condutores das linhas de transmissão. Gradientes para uma mesma classe de tensão somente são reduzidos mediante o emprego dos condutores de diâmetros maiores, ou maior espaçamento entre fases, ou pelo emprego de condutores múltiplos, com número crescente de sub condutores , ou pela forma com que são distribuídos sobre o circulo tendo como centro o eixo do feixe. Alternativamente, vem sendo pesquisados outros métodos para a redução da radio interferência e ruídos audíveis, como a colocação de espiras ao longo dos condutores ou o seu envolvimento em capas de neoprene. A disposição dos sub condutores em forma de polígono irregular também vem sendo investigada como meio de reduzir os gradientes de potencial, e parece ser a forma mais promissora: é possível encontrar uma posição para cada sub condutor na periferia de um circulo, de forma que o gradiente em todos os sub condutores seja mínimo. O emprego dos condutores múltiplos assimétricos tem apresentado problemas de estabilidade mecânica sob ação do vento, e a melhor solução sob esse aspecto poderá conflitar com a melhor solução sob o aspecto de distribuição de gradientes de potencial.
2-1 Conceito
Este efeito se caracteriza pela diminuição da densidade de corrente no interior de um condutor, simultaneamente a uma aumento da corrente na coroa ou seção mais externa, produzido pela ação do campo eletromagnético alternado aplicado ao mesmo. Esta característica torna-se mais pronunciada proporcionalmente ao aumento da frequência de excitação.
O efeito pelicular evidencia-se mais nas altas frequências, e a distribuição da densidade de corrente, j, se faz exponencialmente , a partir da superfície, função do material e da frequência.
Quando uma corrente elétrica constante flui em um o condutor homogêneo, de seção transversal não negli-genciavel, ela se distribui uniformemente nesta seção.O mesmo não se pode dizer quando a corrente alternada, esta não se distribui uniformemente e a distribuição depende da freqüência, do campo elétrico,da condutividade elétrica, das dimensões e da forma geométrica do condutor. No caso de um condutor de seção transversal circular a densidade de corrente varia ao longo do raio, sendo máxima na superfície e mínima sobre o eixo. A concentração de corrente próxima a superfície do condutor chama-se efeito pelicular ou efeito Kelvin em homenagem a Lord Kelvin,por sua contribuição ao estudo deste efeito em condutores cilíndricos (1889). O efeito pelicular apresenta interesse técnico e também acadêmico, principalmente pelas suas sutilezas.
2-2 Mecanismo eletro-fisico’
Quando aplicamos uma corrente constante a um condutor elétrico, esta irá se distribuir uniformemente por todo o diâmetro do mesmo. Agora, se a fonte fornecer uma tensão senoidal, de uma dada freqüência f, teremos uma maior densidade de corrente na região superficial do condutor. Este fenômeno é o Efeito Pelicular.
Isto ocorre pois a corrente circulando no condutor, com um sentido J, gera um campo magnético B por indução.Este, por sua vez, cria um campo elétrico E. Dada a orientação do campo elétrico,ele irá reduzir a intensidade da corrente no centro do condutor e aumentar na superfície, causando o Skin Effect .Em corrente contínua este fenômeno não ocorre, já que não já variação dos campo no tempo e, portanto não há interação entre eles.
A Figura 1 ilustra o comportamento e a interação entre os campos elétrico e magnético, bem como o sentido da corrente J num dado momento, em um certo condutor cilíndrico.
Na frequência de 60 Hz que é a utilizada pelo Brasil no sistema interligado, a diferença entre os dois principais condutores utilizados é pequena. Porém, podemos perceber que ao aumentar a frequência da corrente, o condutor de cobre sofre mais com o Efeito Pelicular.
2-3 Medidas atenuativas
Existem diversas formas de atenuarmos os efeitos criados pela frequência no fio. Um método bastante utilizado em altas frequências é a utilização de um cabo chamado de Fio Litz (do alemão Litzendraht) ou fio trançado. Ele é formado por vários fio menores isolados e entrelaçados num padrão de modo que o campo magnético dos fios faça com que a corrente total seja distribuída igualmente entre eles. A ideia é que o efeito pelicular tem pouco efeito em fios finos, não sofrendo o mesmo aumento de resistência da corrente alternada que um condutor sólido com a mesma seção transversal dos fios trançados, causado pelo efeito pelicular. Esses fios são frequentemente utilizados em bobinas dos transformadores de alta frequência, como forma de aumentar a sua eficácia, atenuando o efeito pelicular. Nas linhas de transmissão aéreas de corrente utilizasse frequentemente cabos de alumínio com alma de aço, não afetando na condução a maior resistência do núcleo de aço, uma vez que está localizado numa região em que a corrente é ínfima, causado pelo efeito pelicular. Em outras aplicações, condutores sólidos são substituídos por tubos, completamente dispensando a porção interior do condutor onde pouco a corrente flui. Isto dificilmente afeta a resistência CA, mas reduz consideravelmente o peso do condutor. E por fim a outra coisa „que podemos fazer em condutores sólidos ou tubulares é banhá-los com prata, tirando proveito da maior condutividade da mesma. Esta técnica é particularmente utilizada para frequências entre a VHF e as micro-ondas, frequências onde à profundidade pelicular é pequena, sendo necessária apenas uma camada muito fina de prata, fazendo a melhoria na condutividade muito rentável. Revestimentos de prata ou de ouro são similarmente utilizados na superfície de guias de onda utilizados para a transmissão de micro-ondas. Esse método reduz a atenuação de propagação da onda devido a perdas resistivas que surgem quando aparecem correntes parasitas.
Sistema solares conectados à rede são economicamente viáveis e diversificam a matriz energética e evitam problemas de perdas por transmissão.
Sua implementação pode ser um tanto difícil, dependendo da escolha dos componentes que irão constituir o sistema.Como dimensionar os módulos com os inversores , onde é preciso que ocorra o casamento para configurar os módulos tanto em série como em paralelo; respeitando assim os parâmetros elétricos do inversor e também do FDI.
