1. Metodologia de Cálculo de Ampacidade de Linhas Aéreas de Transmissão Considerando a Influência da Camada Limite da Atmosfera Carlos Alexandre M. Nascimento Cemig DJoão Antônio Vasconcelos - UFMG 1

3. Objetivos

4. Metodologia de Cálculo de Ampacidade – AmpCLA

5. Aplicação da Metodologia AmpCLA

6. Caso Teórico

7. Caso Real

8. Análises dos Resultados

10. Aumento na demanda por energia apresenta forte restrição na transmissão, devido principalmente à dificuldade de expansão de novos corredores para novas linhas.

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.

13. o estudo da influência do vento ao longo de todos os vãos de uma linha aérea.

15. Camada Limite da Atmosfera I 530 A I e Clima – “constantes” WA ΔWAC WD Método Determinístico de Cálculo de Ampacidade Representação Geométrica do Cálculo Determinístico (Temperatura Ambiente = 30°C, Ângulo 90°C de ataque do vento e Radiação Solar = 1000 W/m2).

17. monitorar os ventos em uma região (sítio experimental) – Sítio de Acuruí/MG;

18. monitoramento da velocidade de vento, instalação de anemômetros na LT;

19. medição dos esforços mecânicos dinâmicos em estrutura tipo estaiada;

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.Acidentes com LTs - Estudo da Camada Limite Atmosférica (p&d-063)

21. 3 5 8 7 6 1 2 4 Sítio Climatológico de Acuruí/MG

22. Resultados: Perfil de Vento Medido

23. 6 4 1 Validação:Perfil de Vento SimuladoSítio de Acuruí/MG

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. atmosfera neutra, isto é, número de Froude superior a 1000;

27. rugosidade da região considerada constante para vegetação tipo grama.Tabela 2.9 Valores gerais do número de Froude e o estado da atmosfera correspondente. Figura 3.1 Domínio de simulação com os ângulos de incidência do vento.

28. Critério para Localização do Vão Crítico Vce = Vão Crítico Elétrico (conforme ilustração na Figura 3.2); Vcc = Vão Crítico Climatológico (conforme exemplo mostrado na Figura 3.3); Figura 3.3 Valores experimentais médios de velocidade de vento e localização na planta da linha aérea. Figura 3.2 Perfil do terreno e planta da linha aérea com as localizações dos vãos críticos elétricos – Vce (linha cheia).

29. Região de menor velocidade de vento Região de maior velocidade de vento Vão mais crítico Critério para Localização do Vão Crítico

30. Aplicação da Metodologia AmpCLACaso Teórico Figura 4.1 Representação do perfil e planta plano (PPP) da linha hipotética. Figura 4.2 Representação do perfil e planta não-plano (PPNP) . Região com surgimento de calmaria da velocidade do vento em função das características da CLA (i) Problema PPP: região da linha possui perfil e planta planos e sem obstáculos naturais para a CLA. Problema PPNP: região possui perfil e planta com relevo não-plano e com obstáculos para a CLA.

31. Definição do Fator de Correção 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). Fc = Ivc / IRef onde: Ivc - Ampacidade calculada em função dos dados medidos ou simulados para o vão crítico da linha (Ampères) IRef - Ampacidade determinística calculada com os dados de referência (Ampère). 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) Fc - Fator de Correção da Ampacidade.

32. Aplicação do Estudo da Camada Limite Atmosferica na Ampacidade de Linhas Aéreas (p&d-162) Etapas da Metodologia AmpCLA Selecionar os parâmetros da linha aérea a ser estudada. Discretizar o domínio de estudo, isto é, a região topográfica digitalizada contendo todos os vãos da linha aérea, utilizando um malhador apropriado. Efetuar simulações da CLA para o domínio discretizado na etapa 2, utilizando as condições de fronteira apropriadas. Identificar os Vãos Críticos Climatológicos – Vcc, a partir das menores amplitudes de velocidade do vento simuladas na etapa 3. Identificar no projeto da linha os Vãos Críticos do ponto vista elétrico - Vce. 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. 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. Recalcular as distâncias livres no conjunto de vãos Vc utilizando a temperatura do condutor obtida na etapa 7. Identificar o pior caso, isto é, de menor distância livre. Calcular a ampacidade final da linha para o vão crítico identificado na etapa 9.

34. Tensão da linha = 138 kV

35. Radiação solar = 1000 W/m2

36. vento a 10 metros de altura do solo = 1 m/s

37. Ângulo do vento em relação ao condutor = 90°

38. Temperatura ambiente = 30 °C

39. Temperatura normal do condutor = 60 °C

40. Temperatura de emergência do condutor = 80 °C

41. Ângulos do vento na fronteira da região de interesse para simulação da CLA = 45, 135, 225 e 315°.Figura 5.1 Perfil e Planta Digital do Condutor na Linha Aérea 138 kV em estudo.

43. velocidade do vento na entrada igual a 1 m/s,

44. atmosfera neutra (Número de Froude > 1000).Figura 5.4 Trecho da Linha na Região Experimental de Acuruí-MG digitalizada. Figura 5.3 Região Experimental de Acuruí-MG digitalizada, contendo a linha aérea 138 kV.

45. Etapa 3: Processamento da CLAGeração do Banco de Dados da CLA Tabela 5.1 Resultados obtidos com a simulação da CLA no vão 1. 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].

46. 20 Etapa 4: Identificar os Vãos Críticos ClimatológicosVcc O valor mostrado na Figura 5.5 é o menor valor de velocidade de vento obtido nas 4 simulações das direções Figura 5.5 Velocidade do vento nos vãos da linha aérea de 138 kV.

47. Etapa 5: Identificar os Vãos Eletricamente Críticos - Vce Tabela 5.5 Vãos Críticos Elétrico – Vce identificados no perfil e planta original da linha (ver Figura 5.2). Figura 5.2 Perfil e Planta Original de um Vão da Linha Aérea 138 kV em estudo.

48. Etapas 6, 7, 8 e 9: Critério de não-dominância Vce = VccVce = {20-21, 40-41, 51-52}  {3‑4,19-20,20-21,39-40,40-41} Vce = {20-21, 40-41} 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. Figura 5.6 Determinação dos vãos não-dominados.

49. Etapa 10: Cálculo Ampacidade e Fc Tabela 5.6 Resultados Obtidos para o Problema PPP. Tabela 5.7 Resultados Obtidos para o Problema PPNP. Fcregime normal = 0,80 / 0,83 Fcregime normal = 96 % Fcregime emergência = 1,08 / 1,12 Fcregime emergência = 96 % Notas: * Estação Climatológica Subestação Ouro Preto 1. ** Por critério de segurança, o menor valor de corrente define a ampacidade probabilística no regime normal.

51. Estações de Medição da Amplitude da Velocidade do Vento,

52. Sistema de Monitoramento de Temperatura do Condutor da Linha.Figura 6.1 Localização do sítio experimental de Acuruí-MG. Figura 6.7 Detalhe da instalação do sensor Power Donut-5106 no vão 50-51. Figura 6.4 Localização dos sensores Power Donut-2 na região de Acuruí-MG. Figura 6.3 Visualização das estações de velocidade de vento no sítio experimental de Acuruí-MG. Figura 6.2 Localização das estações de vento e a linha aérea no sítio experimental de Acuruí-MG.

53. 25 Análise dos Valores Numéricos e Medidos de Velocidade do Vento 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.

54. Figura 6.5 Localização do sensor Power Donut-5106 (Vão 50). Simulações da Velocidade do Vento nos Vãos da Linha

55. 27 Figura 6.14 Comparação entre os valores médios das médias horárias das temperaturas do condutor monitoradas na LT 138 kV em Acuruí-MG. Figura 6.15 Comparação entre os valores máximos das médias horárias das temperaturas do condutor monitoradas na LT 138 kV em Acuruí-MG. Monitoramento da Temperatura do Condutor em Tempo Real

56. 28 Análise Utilizando Imagens Digitais Figura 6.16 Média das velocidades média diária do vento na região da Acuruí-MG. Figura 6.18 Visualização em Elevação das Estações de Vento 3 e 5 na região da Acuruí-MG. 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.

60. A localização dos vãos críticos foi um conceito inovador desenvolvido para aprimorar o cálculo de ampacidade de linhas aéreas.