17.ago ametista 11.20_221_cemig-d

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17.ago ametista 11.20_221_cemig-d

  1. 1. Metodologia de Cálculo de Ampacidade de Linhas Aéreas de Transmissão Considerando a Influência da Camada Limite da Atmosfera<br />Carlos Alexandre M. Nascimento Cemig DJoão Antônio Vasconcelos - UFMG<br />1<br />
  2. 2. Plano de Apresentação<br /><ul><li>Motivação
  3. 3. Objetivos
  4. 4. Metodologia de Cálculo de Ampacidade – AmpCLA
  5. 5. Aplicação da Metodologia AmpCLA
  6. 6. Caso Teórico
  7. 7. Caso Real
  8. 8. Análises dos Resultados
  9. 9. Conclusões</li></li></ul><li>Motivação<br /><ul><li> O uso de condutores aéreos para transmissão de energia elétrica é largamente utilizado. Alternativas a esses condutores, ainda são, em larga escala, economicamente inviáveis (condutores subterrâneos).
  10. 10. Aumento na demanda por energia apresenta forte restrição na transmissão, devido principalmente à dificuldade de expansão de novos corredores para novas linhas.
  11. 11. A sociedade atual impõe restrições contra a expansão das linhas aéreas através da necessidade de preservação ambiental e pela poluição visual, o que dificulta a realização de novos projetos.
  12. 12. Novos estudos para aumentar a capacidade de transmissão nas linhas aéreas existentes é uma necessidade atual do setor elétrico mundial. </li></li></ul><li>Objetivo Geral PeD_D162<br />Analisar a influência da regionalização da amplitude da velocidade do vento na capacidade de transmissão das linhas aéreas, e propor a partir disso:<br /><ul><li>uma nova metodologia para efetuar o cálculo da ampacidade - AmpCLA.
  13. 13. o estudo da influência do vento ao longo de todos os vãos de uma linha aérea.
  14. 14. a aplicação da metodologia AmpCLA em uma região experimental “Acuruí-MG” por meio do uso de simulações da amplitude da velocidade do vento e validando com medições reais do perfil térmico do condutor.</li></li></ul><li>Emergência<br />Normal<br />CLA - Camada Limite da Atmosfera<br />CLA - Camada Limite da Atmosfera<br />I<br />I<br />TMP<br />WA<br />WA<br />ΔWAC<br />ΔWAC<br />WD<br />WD<br />TNP<br />TLP<br />DNP<br />DLP<br />DmP<br />Regimes de Operação<br />Relação entre as variáveis: temperatura do condutor (T) e altura ou distância do condutor ao solo (D).<br />
  15. 15. Camada Limite <br />da Atmosfera<br />I<br />530 A<br />I e Clima – “constantes”<br />WA<br />ΔWAC<br />WD<br />Método Determinístico de Cálculo de Ampacidade<br />Representação Geométrica do Cálculo Determinístico<br />(Temperatura Ambiente = 30°C, Ângulo 90°C de ataque do vento e Radiação Solar = 1000 W/m2).<br />
  16. 16. 4<br />Metodologia de Trabalho<br /><ul><li>Simulação do modelo UFMG/CEMIG na região de Askervein – Validação Numérica;
  17. 17. monitorar os ventos em uma região (sítio experimental) – Sítio de Acuruí/MG;
  18. 18. monitoramento da velocidade de vento, instalação de anemômetros na LT;
  19. 19. medição dos esforços mecânicos dinâmicos em estrutura tipo estaiada;
  20. 20. identificar se realmente existe uma alteração significativa nos valores de velocidade do vento e ainda determinar como essa LT estaria sendo solicitada mecanicamente na possibilidade de um novo contexto climatológico pesquisado.</li></ul>Acidentes com LTs - Estudo da Camada Limite Atmosférica (p&d-063)<br />
  21. 21. 3<br />5<br />8<br />7<br />6<br />1<br />2<br />4<br />Sítio Climatológico de Acuruí/MG<br />
  22. 22. Resultados: Perfil de Vento Medido<br />
  23. 23. 6<br />4<br />1<br />Validação:Perfil de Vento SimuladoSítio de Acuruí/MG<br />
  24. 24. Processamento Computacional da CLA<br /><ul><li>condição de contorno logarítmica com valor de referência da velocidade do vento definido a 10 metros de altura do solo e igual a 1 (m/s);
  25. 25. direção do vento em relação à referência geográfica segundo os seguintes ângulos de incidência (45; 135; 225; 315°C) (veja Figura 3.1);
  26. 26. atmosfera neutra, isto é, número de Froude superior a 1000;
  27. 27. rugosidade da região considerada constante para vegetação tipo grama.</li></ul>Tabela 2.9 Valores gerais do número de Froude e o estado da atmosfera correspondente.<br />Figura 3.1 Domínio de simulação com os ângulos de incidência do vento.<br />
  28. 28. Critério para Localização do Vão Crítico<br />Vce = Vão Crítico Elétrico (conforme ilustração na Figura 3.2);<br />Vcc = Vão Crítico Climatológico (conforme exemplo mostrado na Figura 3.3);<br />Figura 3.3 Valores experimentais médios de velocidade de vento e localização na planta da linha aérea.<br />Figura 3.2 Perfil do terreno e planta da linha aérea com as localizações dos vãos críticos elétricos – Vce (linha cheia).<br />
  29. 29. Região de menor velocidade de vento<br />Região de maior velocidade de vento<br />Vão mais crítico<br />Critério para Localização do Vão Crítico<br />
  30. 30. Aplicação da Metodologia AmpCLACaso Teórico<br />Figura 4.1 Representação do perfil e planta plano (PPP) da linha hipotética.<br />Figura 4.2 Representação do perfil e planta não-plano (PPNP) .<br />Região com surgimento de calmaria da velocidade do vento em função das características da CLA<br />(i)<br />Problema PPP: região da linha possui perfil e planta planos e sem obstáculos naturais para a CLA.<br />Problema PPNP: região possui perfil e planta com relevo não-plano e com obstáculos para a CLA.<br />
  31. 31. Definição do Fator de Correção <br />O fator de correção é a razão entre os valores de ampacidade determinísticas calculadas para o vão crítico (IVC) e para um vão normal de referência (IRef). <br />Fc = Ivc / IRef<br />onde:<br />Ivc - Ampacidade calculada em função dos dados medidos ou simulados para o vão crítico da linha (Ampères)<br />IRef - Ampacidade determinística calculada com os dados de referência (Ampère). <br />Parâmetros climatológicos constantes: Velocidade do Vento (1 m/s), Ângulo de ataque do Vento (90º) em relação ao condutor, Temperatura Ambiente (30ºC) e Radiação Solar (1000 W/m2)<br />Fc - Fator de Correção da Ampacidade.<br />
  32. 32. Aplicação do Estudo da Camada Limite Atmosferica na Ampacidade de Linhas Aéreas (p&d-162)<br />Etapas da Metodologia AmpCLA<br />Selecionar os parâmetros da linha aérea a ser estudada.<br />Discretizar o domínio de estudo, isto é, a região topográfica digitalizada contendo todos os vãos da linha aérea, utilizando um malhador apropriado.<br />Efetuar simulações da CLA para o domínio discretizado na etapa 2, utilizando as condições de fronteira apropriadas.<br />Identificar os Vãos Críticos Climatológicos – Vcc, a partir das menores amplitudes de velocidade do vento simuladas na etapa 3.<br />Identificar no projeto da linha os Vãos Críticos do ponto vista elétrico - Vce.<br />Selecionar os vãos críticos não-dominados por meio da interseção do conjunto de vãos Vce e Vcc e aplicação do critério de não-dominância. Armazenar o conjunto de vãos resultante em um vetor Vc.<br />Calcular a temperatura do condutor para o conjunto de vãos pertencentes ao conjunto Vc utilizando o método iterativo em regime permanente e considera a velocidade de vento calculada em Vcc conforme etapa 4.<br />Recalcular as distâncias livres no conjunto de vãos Vc utilizando a temperatura do condutor obtida na etapa 7.<br />Identificar o pior caso, isto é, de menor distância livre.<br />Calcular a ampacidade final da linha para o vão crítico identificado na etapa 9.<br />
  33. 33. Aplicação da Metodologia AmpCLAEtapa 1: Escolha dos Parâmetros da Linha<br />Etapa 2: Selecionar a Região de Estudo<br />Figura 5.3 Região Experimental de Acuruí-MG digitalizada, contendo a linha aérea 138 kV.<br />As características de projeto da linha aérea:<br /><ul><li>Condutor tipo Linnet ou 336 (mcm)
  34. 34. Tensão da linha = 138 kV
  35. 35. Radiação solar = 1000 W/m2
  36. 36. vento a 10 metros de altura do solo = 1 m/s
  37. 37. Ângulo do vento em relação ao condutor = 90°
  38. 38. Temperatura ambiente = 30 °C
  39. 39. Temperatura normal do condutor = 60 °C
  40. 40. Temperatura de emergência do condutor = 80 °C
  41. 41. Ângulos do vento na fronteira da região de interesse para simulação da CLA = 45, 135, 225 e 315°.</li></ul>Figura 5.1 Perfil e Planta Digital do Condutor na Linha Aérea 138 kV em estudo.<br />
  42. 42. Etapa 3: Processamento da CLA<br /><ul><li> condição de contorno definida a 10 metros de altura do solo,
  43. 43. velocidade do vento na entrada igual a 1 m/s,
  44. 44. atmosfera neutra (Número de Froude > 1000).</li></ul>Figura 5.4 Trecho da Linha na Região Experimental de Acuruí-MG digitalizada.<br />Figura 5.3 Região Experimental de Acuruí-MG digitalizada, contendo a linha aérea 138 kV.<br />
  45. 45. Etapa 3: Processamento da CLAGeração do Banco de Dados da CLA<br />Tabela 5.1 Resultados obtidos com a simulação da CLA no vão 1.<br />Foram simuladas combinações com 9 intervalos de velocidade de vento (0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1; 2; 3; 4 e 5 m/s) e 4 direções do vento (45; 135; 225; 315°C) na fronteira, que resultou em um total de 36 casos de processamentos. O tempo total de processamento foi de aproximadamente 216 horas, considerando um tempo médio de 6 horas por cada caso.[P&D-162, 2008].<br />
  46. 46. 20<br />Etapa 4: Identificar os Vãos Críticos ClimatológicosVcc <br />O valor mostrado na Figura 5.5 é o menor valor de velocidade de vento obtido nas 4 simulações das direções<br />Figura 5.5 Velocidade do vento nos vãos da linha aérea de 138 kV.<br />
  47. 47. Etapa 5: Identificar os Vãos Eletricamente Críticos - Vce <br />Tabela 5.5 Vãos Críticos Elétrico – Vce identificados no perfil e planta original da linha (ver Figura 5.2).<br />Figura 5.2 Perfil e Planta Original de um Vão da Linha Aérea 138 kV em estudo.<br />
  48. 48. Etapas 6, 7, 8 e 9: Critério de não-dominância<br />Vce  = VccVce = {20-21, 40-41, 51-52}  {3‑4,19-20,20-21,39-40,40-41} <br />Vce  = {20-21, 40-41}<br />Aplicando o critério de não-dominância quanto aos pares (velocidade do vento, distância livre), se percebe que os dois vãos (20-21) e (40-41) são ambos os críticos e com os mesmos valores de velocidade de vento e distância livre. <br />Figura 5.6 Determinação dos vãos não-dominados.<br />
  49. 49. Etapa 10: Cálculo Ampacidade e Fc <br />Tabela 5.6 Resultados Obtidos para o Problema PPP.<br />Tabela 5.7 Resultados Obtidos para o Problema PPNP.<br />Fcregime normal = 0,80 / 0,83<br />Fcregime normal = 96 %<br />Fcregime emergência = 1,08 / 1,12<br />Fcregime emergência = 96 %<br />Notas: <br />* Estação Climatológica Subestação Ouro Preto 1.<br />** Por critério de segurança, o menor valor de corrente define a ampacidade probabilística no regime normal.<br />
  50. 50. Análise da Metodologia AmpCLASítio Experimental de Acuruí-MG <br /><ul><li>Localização do Sítio Experimental de Acuruí-MG,
  51. 51. Estações de Medição da Amplitude da Velocidade do Vento,
  52. 52. Sistema de Monitoramento de Temperatura do Condutor da Linha.</li></ul>Figura 6.1 Localização do sítio experimental de Acuruí-MG.<br />Figura 6.7 Detalhe da instalação do sensor Power Donut-5106 no vão 50-51.<br />Figura 6.4 Localização dos sensores Power Donut-2 na região de Acuruí-MG.<br />Figura 6.3 Visualização das estações de velocidade de vento no sítio experimental de Acuruí-MG.<br />Figura 6.2 Localização das estações de vento e a linha aérea no sítio experimental de Acuruí-MG.<br />
  53. 53. 25<br />Análise dos Valores Numéricos e Medidos de Velocidade do Vento<br />Figura 6.8 Comparação entre valores medidos e simulados das estações de coleta de velocidade do vento em Acuruí-MG. A coluna em amarelo, referente à estação No. 2, identifica a referência utilizada.<br />
  54. 54. Figura 6.5 Localização do sensor Power Donut-5106 (Vão 50).<br />Simulações da Velocidade do Vento nos Vãos da Linha<br />
  55. 55. 27<br />Figura 6.14 Comparação entre os valores médios das médias horárias das temperaturas do condutor monitoradas na LT 138 kV em Acuruí-MG.<br />Figura 6.15 Comparação entre os valores máximos das médias horárias das temperaturas do condutor monitoradas na LT 138 kV em Acuruí-MG.<br />Monitoramento da Temperatura do Condutor em Tempo Real<br />
  56. 56. 28<br />Análise Utilizando Imagens Digitais<br />Figura 6.16 Média das velocidades média diária do vento na região da Acuruí-MG. <br />Figura 6.18 Visualização em Elevação das Estações de Vento 3 e 5 na região da Acuruí-MG.<br />A Figura 6.18 mostra por meio da imagem Google as estações 3 e 5. Observa-se que a formação de regiões com depressões no relevo favorece a formação de regiões com estagnação na velocidade de vento na CLA. Isto motivou o desenvolvimento do modelo teórico das regiões PPP e PPNP. <br />
  57. 57. Análises Finais da Metodologia AmpCLA e dos Resultados <br />Análise da Modelagem Matemática AmpCLA<br /><ul><li>Localiza os vãos críticos na linha aérea
  58. 58. Distinção de regiões PPP e PPNP no cálculo da ampacidade</li></ul>Análise do Fator de Correção<br /><ul><li>É uma alternativa algébrica simples, mas plausível, implementada na metodologia AmpCLA para diferenciar os problemas classificados como PPP – “Perfil e Planta Plano” do PPNP – “Perfil e Planta não Plano”. </li></ul>Análise do Cálculo da Ampacidade via AmpCLA<br /><ul><li>Os resultados gerados pela aplicação da metodologia AmpCLA, no caso real, apresentam um ganho determinante na capacidade final de transmissão das linhas aéreas. </li></ul>Análise dos Resultados de Validação do Modelo da Camada Limite Atmosférica<br /><ul><li>O modelo em micro-escala e para atmosfera neutra com número de Froude superior a 1000 [VALLE, 2005] da CLA, apresentou boa concordância com os resultados experimentais.
  59. 59. O uso de simulações da velocidade do vento da CLA mostrou-se ser fundamental para o cálculo de ampacidade.</li></ul>Análise dos Dados Adquiridos com o Sistema de Monitoramento de Temperatura<br /><ul><li>Foi confirmado experimentalmente uma excelente correlação física entre os perfis de amplitude de velocidade do vento simulados e temperatura do condutor medida em dois vãos distantes da linha aérea de 138 kV da região de Acuruí-MG.</li></li></ul><li>Conclusões <br /><ul><li>Neste trabalho, desenvolveu-se e validou-se uma nova metodologia de cálculo de ampacidade - AmpCLA, mais segura e realista em relação à metodologia clássica.
  60. 60. A localização dos vãos críticos foi um conceito inovador desenvolvido para aprimorar o cálculo de ampacidade de linhas aéreas.
  61. 61. Com a aplicação prática dessa metodologia, minimiza-se o número de vãos necessários de serem monitorados em tempo real. Assim, na metodologia AmpCLA com o Estudo da Camada Limite da Atmosfera, o monitoramento em tempo real se torna uma alternativa plausível e de baixo custo pelo fato de se permitir a localização dos vãos críticos. </li></li></ul><li>Laboratório de Computação Evolucionária<br />Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - EEUFMG<br />Contatos<br />Carlos Alexandre M. Do Nascimento (caxandre@cemig.com.br)<br />Gerência de Desenvolvimento e Engenharia de Ativos da Distribuição<br />Cemig D<br />Prof. João A. de Vasconcelos (joao@cpdee.ufmg.br)<br />Laboratório de Computação Evolucionária<br />Departamento de Engenharia Elétrica – UFMG<br />Av. Pres. Antônio Carlos, 6627 – CEP 31.270-010<br />Fone: (31) 3409-3426<br />

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