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DÉCIMO OITAVO ENCONTRO
REGIONAL IBERO-AMERICANO DO CIGRE
TRAVESSIA DO CANAL DE CHACAO:
BALANÇO ASSÍNCRONO, UMA ABORDAGEM ANALÍTICA E GEOMÉTRICA
PARA SUA DETERMINAÇÃO
João Felix Nolasco Ruy C R Menezes Álvaro S H Menezes Cesar Opazo
Linnet Engenharia UFRGS/EngeLíneas EngeLíneas/UFRGS Transelec
Brasil Brasil Brasil Chile
Resumo – O artigo faz a apresentação e aplicação de metodologia para determinação do balanço
assíncrono de condutores, especialmente apropriada para vãos longos, como em travessias. O objetivo do
presente trabalho é apresentar uma avaliação técnica da travessia da LT 2x500 kV Puerto Mont – Nueva
Ancud, a ser construída sobre o Canal de Chacao, no Chile, em especial determinando os ângulos de balanço,
distâncias elétricas e o balanço assíncrono na determinação da geometria das torres de suspensão da
travessia. Um procedimento numérico (computacional) é desenvolvido para determinar o balanço assíncrono
e as distâncias mínimas resultantes.
Palavras-chave: critérios de projeto – balanço assíncrono – isolamento – distâncias elétricas
1 INTRODUÇÃO
O projeto da travessia de uma LT 2x500kV sobre o Canal de Chacao, no Chile, demanda abordagens
técnicas bastante desafiadoras. Entre as razões desses desafios, está o grande vão, da ordem de 2.550 m sobre
o canal, entre o continente e a ilha de Chiloé. A escolha da torre de suspensão, com geometria do tipo Danúbio
e, consequentemente, com a localização de fases no mesmo nível horizontal, exige cuidados especiais em
relação ao balanço assíncrono.
O balanço das cadeias e dos condutores, entre si ou em relação às partes aterradas da estrutura, representa
fenômeno de enorme importância na avaliação do isolamento de uma LT aérea. O balanço se deve à ação do
vento sobre cabos e cadeias. A transformação da velocidade do vento em pressão efetiva de vento sobre os
elementos da LT, tais como cabos e cadeias, é tema que não será aqui detalhado em razão da objetividade
necessária para os limites de dimensão do artigo, apesar de ser de especial interesse nesta abordagem. Assim
sendo, considera-se que este tema, assim como a caracterização estatística do vento em relação a sua
probabilidade de ocorrência (ou de ser excedido) é assunto para outra discussão e/ou artigo.
Sabidamente, a ação do vento promove movimentos dos elementos cabos e cadeias. Esses são comumente
caracterizados nos projetos como “ângulos de balanço”. É de fácil compreensão que os “ângulos de balanço”,
frequentemente representados, são valores para uma posição média na condição de equilíbrio. E é também
fácil inferir que há uma inerente flutuação em torno desse valor médio em razão da natureza aleatória e variável
no tempo do fenômeno vento e de seu fluxo, mesmo em condições quase laminares. Nesta sequência de
conceitos, também é de se aceitar que tais flutuações dependam do regime de vento, podendo serem maiores
quanto maior for a velocidade do vento e sua turbulência.
Como acontece em abordagens da natureza de fenômenos aleatórios como o vento, é comum caracterizar
tais flutuações pela sua dispersão em torno da média e, mais comumente, pelo seu desvio padrão σ. Pode-se
esperar, como sendo inerente aleatoriedade, que tal dispersão resulte em movimentos assíncronos. Ou seja,
que as flutuações em fases diferentes apresentem movimento em sentido contrário, aproximando-as e,
consequentemente, diminuindo a distância entre elas (isto é, diminuindo o isolamento).
Portanto, o problema se configura em estabelecer espaçamentos entre fases tais que as mínimas distâncias
entre elas, em situação de balanço assíncrono, não sejam inferiores às distâncias mínimas requeridas de
isolamento. Sendo que a ocorrência do balanço é devida à ação do vento, sua abordagem mais apropriada é
probabilística. Assim, a faixa de velocidades de vento a ser verificada tal condição de distância mínima deve
ir da condição sem vento até uma velocidade de vento, cujo valor tenha uma probabilidade anual, ainda
aceitável, de ser não ser excedido. Usualmente, refere-se a “período de retorno” ao inverso da probabilidade
19 a 23 de maio de 2019 CE-B2Foz do Iguaçu, Brasil
Comitê de Estudos B2- Linhas de Transmissão
2
anual de que tal valor seja excedido. Por exemplo: uma velocidade de vento associada a um período de retorno
de 100 anos significa que há uma probabilidade anual de 0,01 (1%) de ocorra um evento com velocidade de
vento superior e uma probabilidade de 39% de que isto ocorra durante um período de 50 anos
[ 1 – (1 – 0,01)50
) ].
2 DISTÂNCIAS ENTRE FASES
2.1 Distância mínima de isolamento
A distância elétrica mínima de isolamento entre as fases, corresponde à distância numa condição de tensão
de frequência industrial e deve ser expressa, conforme [3] ou [4], pela expressão que, para as condições da
travessia do Canal de Chacao, assume o seguinte:
‫ܦ‬୤୤ = 1,64 ቆ݁
ೆೞ
ళఱబ ಼ೌ಼೥_೛೑಼೒_೛೑ − 1ቇ
଴,଼ଷଷ
(1)
onde:
- Us é a máxima tensão operativa (Us = 525kV);
- Ka é o fator de altitude (Ka = 0,995)
- Kg-pf é o fator de gap para frequência industrial. No caso, do condutor externo ao braço metálico,
expresso em termos do fator de gap para impulso Kg, ou seja: Kg-pf = 1,35Kg – 0,35 Kg
2
Kg-pf = 1,35 x
1,45 – 0,35 x 1,452
= 1,22
- Kz-pf é o de desvio do fator de gap da distribuição de tensões suportáveis em frequência industrial, ou
seja: Kz-pf = 0,91.
resultando assim uma distância mínima entre fases Dff = 1,48m
2.2 Expressões empíricas usuais para distâncias entre fases
De acordo com [5], um dos enfoques empíricos mais conhecidos é o método alemão descrito em [6], na
NNA alemã ou EN 50341-3-4, que em sua expressão mais geral é dado por
ܿ୫୧୬ = ݇஼ඥ݂ + ݈௜௡௦ + ‫ܭ‬ ‫ܦ‬ + ܾ (2)
onde:
- cmin a distância mínima entre fases
- f é a flecha do condutor no centro do vão, em geral para as condições de carga que produzem o seu
maior valor (em m) – no caso da travessia do Canal de Chacao f = 243m (para uma pressão de vento
igual a 149 daN/m2
, correspondente a um período de retorno T = 100 anos;
- lins é o comprimento da cadeia de isoladores de suspensão – no caso da travessia do Canal de Chacao
lins = 6,50m;
- kC é um fator que depende do ângulo de balanço e do desvio de ambas fases em sua configuração
horizontal, triangular ou vertical suspensão – no caso da travessia do Canal de Chacao (kC = 0,70);
- K é um coeficiente constante que depende da experiencia do país (K = 0,75 na Alemanha);
- D é distância mínima - Dpp - de fase a fase (m) (D = 4,00 de acordo com [5]);
- b é o diâmetro exterior do feixe de condutores (m) – no caso da travessia do Canal de Chacao
b = 0,64m.
resultando assim uma distância mínima entre fases cmin = 14,70m para a travessia do Canal de Chacao.
O mesmo enfoque é apresentado em algumas outras normas, com pequenas diferenças, mas resultando
praticamente no mesmo valor, segundo [5].
Outro procedimento digno de registro aqui é a relativametne nova norma chinesa (DL/T5485-2013), que
sugere que a distância mínima entre fases seja dada por
D = 0,4 L୏ + ܷ
110ൗ + Kඥ݂ (3)
onde:
- D é a distância mínima entre fases
- Lk é o comprimento da cadeia de isoladores de suspensão – no caso da travessia do Canal de Chacao
Lk = 6,50m;
- U é a tensão nominal do sistema em kV (U = 525kV – no caso da travessia do Canal de Chacao);
3
- K é um coeficiente no intervalo de 0,75~0,95 (usualmente toma-se K = 0,75 para vãos maiores que
2000m);
- f é a flecha do condutor no centro do vão, em geral para as condições de carga que produzem o seu
maior valor (em m) – no caso da travessia do Canal de Chacao f = 243m (para uma pressão de vento
igual a 149 daN/m2
, correspondente a um período de retorno T = 100 anos;
resultando assim uma distância mínima entre fases D = 19,10m
Portanto, de acordo com as referências acima mencionadas, a mínima distância entre fases poderia estar
na faixa de 14,70 a 19,10m. A esta incerteza, soma-se o fato de não estar explicitamente mencionado se tais
expressões empíricas contemplam ou não, de forma mais apurada, a consideração do balanço assíncrono.
2.3 Tendências pela prática mundial
Em [7], Technical Brochure 396 de CIGRE “Large Overhead Line Crossings”, conduzida pelo WG B2-
08, são indicadas as tendências mundiais sobre o assunto “espaçamento entre fases em grandes travessias”.
Em uma apresentação do trabalho, feita por membros do Working Group, se indica uma linha de “tendência”
para a relação entre [ d x (flecha)^1/2 ] e o espaçamento. Tal linha de tendência é reproduzida na figura 1
seguinte, indicando que para a travessia do Canal de Chacao o espaçamento deveria ser algo da ordem de 26m,
valor consideravelmente maior que as demais travessias relatadas no mesmo documento.
Fig 1: Tendência histórica para a distância entre fases
É muito importante observar que tal relação trata de uma “tendência”, obtida a partir de registros históricos
de projetos com bases diferentes, feitos com normas de projeto antigas e de forma isolada, considerados pelos
membros do WG do CIGRE como sempre conservadores. Como exemplo, a travessia do rio Yangtze, na
China, concluída em 2004 (portanto anterior ao ‘novo’ código chinês de 2013) e que faz parte da mencionada
Technical Brochure CIGRE 396, tem um vão de 2.303m, estruturas de suspensão de 346m de altura e a
distância entre fases adotada foi de 22,5m.
Com isso, com indicações para a distância entre fases que variam de 14,70 a 26,0m, fica ainda mais
evidente a importância de buscar-se uma avaliação mais avançada do problema, numa perspectiva conceitual,
levando-se em conta o fenômeno de balanço assíncrono, para se ter uma otimização da geometria das torres
de suspensão da travessia.
3 BALANÇO ASSÍNCRONO
3.1 Caracterização geométrica fenômeno
O que se chama hoje de balanço assíncrono foi historicamente ignorado em muitos projetos
implementados. Num cenário como esse, passou-se a observar ocorrência de falhas que eram atribuídas a
deficiências de isolamento em pontos intermediários do vão.
O equacionamento do fenômeno do movimento assíncrono é complexo. Independentemente dessa
complexidade, a sua avaliação é fundamental para a otimização de uma travessia como a do Canal de Chacao,
pois se tal movimento tiver valor apreciável, poderá levar à necessidade de estruturas com mísulas especiais
para evitar a aproximação excessiva entre das fases adjacentes ao longo do vão. Assim sendo, a otimização da
4
travessia é técnica e economicamente essencial, sendo o balanço, tanto o síncrono como também o assíncrono,
uma variável fundamental nesse processo.
Os autores consideram a abordagem descrita em [4] como a mais elaborada na ótica conceitual. De acordo
com tal abordagem, os ângulos de balanço de duas fases paralelas, situadas na horizontal, são iguais a um valor
médio θ e oscilam entre si, em torno desse valor médio.
De acordo com essa referência, o ângulo de balanço θ é determinado pela seguinte expressão:
ߠ = tanିଵ
ቀ
ఘ ଶ⁄ .஼ೣ .௏ೃ
మ
. Gಽ . a . d . n
௡ . p . a
ቁ (4)
onde:
ρ = densidade do ar (1,225 kg/m³);
Cx = coeficiente de resistência do condutor;
VR = velocidade do vento para condição de balanço;
a = vão considerado;
GL = fator de vão ... GL = 0,6+80/vão (conforme EN 50341-3-4) ou
GL = 0.0000000004 (vão)3
-0.0000005(vão)2
-0.0001(vão)+1.0403 (conforme IEC 60826);
d = diâmetro do condutor;
n = número de subcondutores;
p = peso próprio do condutor.
Como já mencionado, tal oscilação em torno do valor médio é melhor descrita de forma probabilística,
com uma distribuição simétrica em torno do valor médio e sua dispersão pode ser expressa por um desvio
padrão σ. De acordo com [4], σ pode ser dado como uma função da velocidade do vento pela seguinte
expressão:
ߪ ൌ 2,25 ቈ1 െ ݁
ି൬
௏ೃ
మ
ଶଷ଴
ൗ ൰
቉ (5)
onde:
VR = velocidade do vento para condição de balanço;
Com base no ângulo de balanço θ encontrado, são consideradas possíveis aproximações devidas ao
movimento não síncrono entre as fases, com uma dada probabilidade de ocorrência igual ou inferior a 98%, o
que pode ser estimado com base no seguinte padrão das suas posições:
− fase 1 na posição θ1 = θ + 2 σ
− fase 2 na posição θ2 = θ - 2 σ
A figura 2, a seguir, ilustra geometricamente a determinação da distância mínima com base em tal
abordagem.
Fig 2: Balanço assíncrono – desenho esquemático
θ2
θ1
Dmin ≤ Dff
5
3.2 Modelo conceitual para cálculo da distância mínima em balanço assíncrono
A determinação da mínima distância entre fases que estão na posição acima esquematizada, como
modelagem do movimento assíncrono, não é trivial. Para cada ângulo de balanço, a posição das fases é
analiticamente estabelecida por uma função no espaço tridimensional 3D. Historicamente, a função parábola
foi muito usada para vãos ordinários. Entretanto, para grandes vãos, tal aproximação não é satisfatória, sendo
a função catenária a mais adequada. A função catenária, num espaço 2D (portanto, plano) ortogonal (r , s), é
assim expressa:
‫ݎ‬ ൌ C cosh ቀ
௦
େ
ቁ (5)
onde:
C = constante da catenária, que é igual a razão ‘To / p’ , sendo To a tração horizontal do cabo e ‘p’ o seu
peso unitário.
Em condição de balanço, tal plano (r, s) fica orientado no espaço, na sua posição média, pelo ângulo de
balanço θ. São de interesse para a determinação das distâncias mínimas, em condição de balanço assíncrono,
as posições das fases 1 e 2, nos ângulos θ1 e θ2, respectivamente, como anteriormente mostrado.
Objetivando simplicidade, pode-se dizer que a posição central de cada fase é analiticamente estabelecida
por uma função no espaço tridimensional 3D por
g (x, y, z) para a fase 1 e
h (x, y, z) para a fase 2. (6)
Onde os valores das funções g (x, y, z) para a fase 1 e h (x, y, z) para a fase 2, para a posição central de
cada uma delas, são obtidos por uma simples rotação do plano (r, s) em torno da vertical com os ângulos θ1 e
θ2, respectivamente.
Adicionalmente, como a função é expressa em função do parâmetro da catenária C, que é dado pela razão
‘To / p’, pode-se facilmente considerar a tração horizontal do cabo, que sabidamente varia com a pressão de
vento e, portanto, com o ângulo de balanço.
Assim, o problema da determinação da mínima distância entre fases na modelagem do balanço assíncrono,
como geometricamente descrito no item anterior, torna-se encontrar da distância mínima ....
D୫୧୬ |܏ሺ‫,ݔ‬ ‫,ݕ‬ ‫ݖ‬ሻ − ‫ܐ‬ሺ‫,ݔ‬ ‫,ݕ‬ ‫ݖ‬ሻ|
no espaço de (‫,ݔ‬ ‫,ݕ‬ ‫,)ݖ‬ das duas funções, que pertence ao vão em estudo (7)
O problema pode ser abordado de várias formas, entre elas: (i) analiticamente; (ii) geometricamente, com
o auxílio de CAD (Computed Aided Design) ou (iii) numericamente, discretizando a função em intervalos
espaçados de forma a proporcionar a precisão desejada.
Considerando os recursos computacionais hoje existentes, os autores optaram por abordar o problema
numericamente. Para vãos nivelados, como é aceitável para a travessia do Canal de Chacao, há simetria em
relação ao meio do vão, diminuindo a discretização necessária. Para isso foi desenvolvido um programa
computacional que basicamente faz o seguinte:
- para VR = 0 até VR = Vmax , tomadas em ‘m’ intervalos
- calcula-se θ , σ , θ1 e θ2
- calcula-se ‘n’ posições discretas para g (x, y, z) para a fase 1 e para h (x, y, z) para a fase 2;
- calculam-se as distâncias entre todos as posições discretizadas em cada função (isto é, ‘n x n’
distâncias, determinando-se a mínima entre todas elas.
Com isso, para qualquer velocidade de vento variando desde a condição ‘zero’ até um valor máximo
VR = Vmax de interesse de verificação, tem-se a distância mínima que pode se localizar em qualquer ponto do
vão discretizado.
3.3 Cálculos efetuados
Para a aplicação do modelo na travessia do Canal de Chacao, os seguintes dados foram tomados:
ρ = densidade do ar: 1,225 kg/m³;
Cx = coeficiente de resistência do condutor: 1,0;
VR = velocidade do vento para condição de balanço;
a = vão considerado: 2550 m;
GL = fator de vão: 0,845 (conforme IEC 60826, de forma mais conservadora que a EN 50341-3-4,
que seria = 0,6+80/2550 = 0,631);
6
d = diâmetro do condutor: 0,035103m;
n = número de subcondutores: 3;
p = peso próprio do condutor: 3,172710 daN/m.
A velocidade máxima VR = Vmax, considerada de interesse de verificação, foi tomada igual a
correspondente ao balanço de frequência industrial (com T = 100 anos, VR = 32m/s). Com ela, se obtêm o
seguinte:
- ângulo de balanço médio: θ = 30,386o
- σ = 2,224o
- fase 1 na posição θ1 = θ + 2 σ = 34,834o
- fase 2 na posição θ2 = θ - 2 σ = 25,939o
Outra velocidade VR de interesse especial é igual àquela correspondente ao balanço para surto de manobra
(com T = 3 anos, VR = 19m/s). Com ela, se obtêm o seguinte:
- ângulo de balanço médio: θ = 11,680o
- σ = 1,782o
- fase 1 na posição θ1 = θ + 2 σ = 15,243o
- fase 2 na posição θ2 = θ - 2 σ = 8,116o
Apesar das mencionadas velocidades de interesse especial, é importante observar que as distâncias
mínimas podem ocorrer para outras velocidades de vento, intermediárias e, inclusive, inferiores.
Realizando-se o procedimento numérico descrito em 3.2 é possível observar-se o comportamento para as
distâncias mínimas, para cada velocidade, representado pela figura seguinte. Neste processo, as velocidades
de vento foram variadas de 0 a 40 m/s, em intervalos de 1 m/s, e o vão foi discretizado de 10 em 10 cm.
Fig 3: distâncias mínimas em função de VR, para diferentes espaçamentos na torre
Como fica evidente, as distâncias mínimas ocorrem para velocidades de vento inferiores às velocidades
correspondente ao balanço de frequência industrial (T = 100 anos, VR = 32m/s), e inclusive àquelas
correspondentes ao balanço para surto de manobra (T = 3 anos, VR = 19m/s). O fato evidencia que, de acordo
com o modelo adotado, a probabilidade anual de ocorrência (1/T), de aproximação das fases com esse valor
de distância mínima entre as mínimas, é significativa. Entretanto, mesmo assim, tal distância terá que ser
inferior ao valor da distância elétrica mínima de isolamento aceitável entre as fases, que corresponde à distância
numa condição de tensão de frequência industrial, conforme estabelecido no item 2.1deste artigo (Dff = 1,48m).
7
A figura 4 a seguir ilustra a distância Dmin em função da distância entre fases na torre. O valor Dmin aqui
representado corresponde ao eixo do feixe de subcondutores. Portanto é necessário ainda subtrair o diâmetro
exterior do feixe de condutores, que no caso da travessia do Canal de Chacao é igual a 0,64m.
Fig 4: distâncias mínimas em função de diferentes espaçamentos na torre
Na travessia do Canal de Chacao, o espaçamento adotado na torre de suspensão foi de 22m. Para tal
afastamento, os estudos acima mostram que Dmin = 2,55m. Descontado o diâmetro exterior do feixe de
condutores de 0,64m, conclui-se que a aproximação mais crítica, o real valor mínimo Dmin será de 1,91m que
é maior que a distância crítica mínima numa condição de tensão de frequência industrial, conforme
estabelecido no item 2.1deste artigo (Dff = 1,48m).
4 OBSERVAÇÕES E CONCLUSÕES
O problema da avaliação da mínima distância entre fases considerando-se o balanço assíncrono não é
trivial e evidencia ser altamente não linear. Os autores entendem que a metodologia descrita em [4] é aquela
disponível que se apresenta de forma mais elaborada na ótica conceitual.
O desafio na sua completa aplicação é o de verificar distâncias mínimas para todas as posições de balanço
possíveis e em todas as posições do vão, sendo que a posição mais crítica não é de fácil identificação, tornando
exaustiva a sua busca. Considerando-se os recursos computacionais hoje existentes, os autores entendem ser
adequado tratar o problema numericamente, fazendo uma discretização bastante refinada, tanto das ações como
do vão (que no caso deste artigo foi de 10cm). Neste estudo para a travessia do Canal de Chacao, relatado
neste artigo, o problema foi enfrentado através da elaboração de um programa computacional relativamente
simples que permitiu a confecção de gráficos bastante esclarecedores.
A faixa de valores de velocidades de vento a ser considerada nessa avaliação deve ir de um valor zero
(sem vento) até uma velocidade de vento, cujo valor tenha uma probabilidade anual, ainda aceitável, de ser
não ser excedido. Normalmente este valor máximo é o valor da velocidade VR considerada de interesse de
verificação ao balanço em condição de frequência industrial (que provoca o maior balanço). Entretanto, é
importantíssimo salientar que as aproximações máximas não ocorrem necessariamente com as maiores
velocidades de vento, como se pode facilmente constatar na figura 3.
A figura 5 a seguir mostra, num plano perpendicular ao eixo da LT e em perspectiva, a condição mais
crítica (VR = 14m/s) encontrada para o afastamento de 22m adotado, ao lado da condição correspondente à
velocidade de vento tomada para verificação do balanço para surtos de manobra (VR = 19m/s). Note-se que,
enquanto para a velocidade de vento de 14m/s a distância mínima acontece no meio do vão e é igual a 2,55m,
para a velocidade de vento de 19m/s a distância mínima ocorre numa outra posição distante do meio do vão e
é igual a 4,38m, evidenciando que uma avaliação do balanço assíncrono apenas para velocidades de vento altas
levaria a conclusões equivocadas e contrárias a segurança.
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Dmin
Distância entre fases na torre
8
Fig 5: distâncias mínimas, para diferentes VR, para o afastamento entre fases de 22m (adotado)
Com base no estudo aqui relatado, os autores entendem que o valor de 22m adotado para a torre de
suspensão da travessia do Canal de Chacao é seguro e resulta de uma tomada de decisões com base conceitual
mais elaborada do que as fórmulas empíricas encontradas em códigos e, ao mesmo tempo, promove otimização
se comparada com a tendência mundial, possivelmente conservadora, ilustrada na referência [7].
5 REFERÊNCIAS
[1] EHV Reference Book 345 kV and Above - EPRI 1982 345kV
[2] IEC 60826 Ed 3.0: Design criteria of overhead transmission lines (2003).
[3] EN-50341-1: Overhead Lines exceeding AC 45 kV Part 1: General rules
[4] Kiessling, F.; Nefzger, P.; Nolasco, J.F.; Kaintzyk, U.: Overhead power lines – Planning, design,
construction. Berlin-Heidelberg-New York, Springer, 2003.
[5] CIGRE - Technical Brochure 348 “Tower Top Geometry and Mid Span Clearances” (2008).
[6] EN 50341-3-4: Overhead electrical lines exceeding AC 45 kV – Part 3-4: National Normative Aspects
(NNA) for Germany, 2002.
[7] CIGRE - Technical Brochure 396 “Large Overhead Line Crossings” (2009);
[8] LT 2 X 500 kV Nueva Porto Montt – Nueva Ancud: Estudios Cruce Canal de Chacao, Relatório
Confidencial, 2018
[9] Kiessling, F.; Palestra no International Workshop on Long Span Crossings in Overhead Transmission
Lines – CIGRE/Brasil 2007.

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TRAVESSIA DO CANAL DE CHACAO: BALANÇO ASSÍNCRONO, UMA ABORDAGEM ANALÍTICA E GEOMÉTRICA PARA SUA DETERMINAÇÃO

  • 1. * e-mail: nolascojf@gmail.com XVIII ERIAC DÉCIMO OITAVO ENCONTRO REGIONAL IBERO-AMERICANO DO CIGRE TRAVESSIA DO CANAL DE CHACAO: BALANÇO ASSÍNCRONO, UMA ABORDAGEM ANALÍTICA E GEOMÉTRICA PARA SUA DETERMINAÇÃO João Felix Nolasco Ruy C R Menezes Álvaro S H Menezes Cesar Opazo Linnet Engenharia UFRGS/EngeLíneas EngeLíneas/UFRGS Transelec Brasil Brasil Brasil Chile Resumo – O artigo faz a apresentação e aplicação de metodologia para determinação do balanço assíncrono de condutores, especialmente apropriada para vãos longos, como em travessias. O objetivo do presente trabalho é apresentar uma avaliação técnica da travessia da LT 2x500 kV Puerto Mont – Nueva Ancud, a ser construída sobre o Canal de Chacao, no Chile, em especial determinando os ângulos de balanço, distâncias elétricas e o balanço assíncrono na determinação da geometria das torres de suspensão da travessia. Um procedimento numérico (computacional) é desenvolvido para determinar o balanço assíncrono e as distâncias mínimas resultantes. Palavras-chave: critérios de projeto – balanço assíncrono – isolamento – distâncias elétricas 1 INTRODUÇÃO O projeto da travessia de uma LT 2x500kV sobre o Canal de Chacao, no Chile, demanda abordagens técnicas bastante desafiadoras. Entre as razões desses desafios, está o grande vão, da ordem de 2.550 m sobre o canal, entre o continente e a ilha de Chiloé. A escolha da torre de suspensão, com geometria do tipo Danúbio e, consequentemente, com a localização de fases no mesmo nível horizontal, exige cuidados especiais em relação ao balanço assíncrono. O balanço das cadeias e dos condutores, entre si ou em relação às partes aterradas da estrutura, representa fenômeno de enorme importância na avaliação do isolamento de uma LT aérea. O balanço se deve à ação do vento sobre cabos e cadeias. A transformação da velocidade do vento em pressão efetiva de vento sobre os elementos da LT, tais como cabos e cadeias, é tema que não será aqui detalhado em razão da objetividade necessária para os limites de dimensão do artigo, apesar de ser de especial interesse nesta abordagem. Assim sendo, considera-se que este tema, assim como a caracterização estatística do vento em relação a sua probabilidade de ocorrência (ou de ser excedido) é assunto para outra discussão e/ou artigo. Sabidamente, a ação do vento promove movimentos dos elementos cabos e cadeias. Esses são comumente caracterizados nos projetos como “ângulos de balanço”. É de fácil compreensão que os “ângulos de balanço”, frequentemente representados, são valores para uma posição média na condição de equilíbrio. E é também fácil inferir que há uma inerente flutuação em torno desse valor médio em razão da natureza aleatória e variável no tempo do fenômeno vento e de seu fluxo, mesmo em condições quase laminares. Nesta sequência de conceitos, também é de se aceitar que tais flutuações dependam do regime de vento, podendo serem maiores quanto maior for a velocidade do vento e sua turbulência. Como acontece em abordagens da natureza de fenômenos aleatórios como o vento, é comum caracterizar tais flutuações pela sua dispersão em torno da média e, mais comumente, pelo seu desvio padrão σ. Pode-se esperar, como sendo inerente aleatoriedade, que tal dispersão resulte em movimentos assíncronos. Ou seja, que as flutuações em fases diferentes apresentem movimento em sentido contrário, aproximando-as e, consequentemente, diminuindo a distância entre elas (isto é, diminuindo o isolamento). Portanto, o problema se configura em estabelecer espaçamentos entre fases tais que as mínimas distâncias entre elas, em situação de balanço assíncrono, não sejam inferiores às distâncias mínimas requeridas de isolamento. Sendo que a ocorrência do balanço é devida à ação do vento, sua abordagem mais apropriada é probabilística. Assim, a faixa de velocidades de vento a ser verificada tal condição de distância mínima deve ir da condição sem vento até uma velocidade de vento, cujo valor tenha uma probabilidade anual, ainda aceitável, de ser não ser excedido. Usualmente, refere-se a “período de retorno” ao inverso da probabilidade 19 a 23 de maio de 2019 CE-B2Foz do Iguaçu, Brasil Comitê de Estudos B2- Linhas de Transmissão
  • 2. 2 anual de que tal valor seja excedido. Por exemplo: uma velocidade de vento associada a um período de retorno de 100 anos significa que há uma probabilidade anual de 0,01 (1%) de ocorra um evento com velocidade de vento superior e uma probabilidade de 39% de que isto ocorra durante um período de 50 anos [ 1 – (1 – 0,01)50 ) ]. 2 DISTÂNCIAS ENTRE FASES 2.1 Distância mínima de isolamento A distância elétrica mínima de isolamento entre as fases, corresponde à distância numa condição de tensão de frequência industrial e deve ser expressa, conforme [3] ou [4], pela expressão que, para as condições da travessia do Canal de Chacao, assume o seguinte: ‫ܦ‬୤୤ = 1,64 ቆ݁ ೆೞ ళఱబ ಼ೌ಼೥_೛೑಼೒_೛೑ − 1ቇ ଴,଼ଷଷ (1) onde: - Us é a máxima tensão operativa (Us = 525kV); - Ka é o fator de altitude (Ka = 0,995) - Kg-pf é o fator de gap para frequência industrial. No caso, do condutor externo ao braço metálico, expresso em termos do fator de gap para impulso Kg, ou seja: Kg-pf = 1,35Kg – 0,35 Kg 2 Kg-pf = 1,35 x 1,45 – 0,35 x 1,452 = 1,22 - Kz-pf é o de desvio do fator de gap da distribuição de tensões suportáveis em frequência industrial, ou seja: Kz-pf = 0,91. resultando assim uma distância mínima entre fases Dff = 1,48m 2.2 Expressões empíricas usuais para distâncias entre fases De acordo com [5], um dos enfoques empíricos mais conhecidos é o método alemão descrito em [6], na NNA alemã ou EN 50341-3-4, que em sua expressão mais geral é dado por ܿ୫୧୬ = ݇஼ඥ݂ + ݈௜௡௦ + ‫ܭ‬ ‫ܦ‬ + ܾ (2) onde: - cmin a distância mínima entre fases - f é a flecha do condutor no centro do vão, em geral para as condições de carga que produzem o seu maior valor (em m) – no caso da travessia do Canal de Chacao f = 243m (para uma pressão de vento igual a 149 daN/m2 , correspondente a um período de retorno T = 100 anos; - lins é o comprimento da cadeia de isoladores de suspensão – no caso da travessia do Canal de Chacao lins = 6,50m; - kC é um fator que depende do ângulo de balanço e do desvio de ambas fases em sua configuração horizontal, triangular ou vertical suspensão – no caso da travessia do Canal de Chacao (kC = 0,70); - K é um coeficiente constante que depende da experiencia do país (K = 0,75 na Alemanha); - D é distância mínima - Dpp - de fase a fase (m) (D = 4,00 de acordo com [5]); - b é o diâmetro exterior do feixe de condutores (m) – no caso da travessia do Canal de Chacao b = 0,64m. resultando assim uma distância mínima entre fases cmin = 14,70m para a travessia do Canal de Chacao. O mesmo enfoque é apresentado em algumas outras normas, com pequenas diferenças, mas resultando praticamente no mesmo valor, segundo [5]. Outro procedimento digno de registro aqui é a relativametne nova norma chinesa (DL/T5485-2013), que sugere que a distância mínima entre fases seja dada por D = 0,4 L୏ + ܷ 110ൗ + Kඥ݂ (3) onde: - D é a distância mínima entre fases - Lk é o comprimento da cadeia de isoladores de suspensão – no caso da travessia do Canal de Chacao Lk = 6,50m; - U é a tensão nominal do sistema em kV (U = 525kV – no caso da travessia do Canal de Chacao);
  • 3. 3 - K é um coeficiente no intervalo de 0,75~0,95 (usualmente toma-se K = 0,75 para vãos maiores que 2000m); - f é a flecha do condutor no centro do vão, em geral para as condições de carga que produzem o seu maior valor (em m) – no caso da travessia do Canal de Chacao f = 243m (para uma pressão de vento igual a 149 daN/m2 , correspondente a um período de retorno T = 100 anos; resultando assim uma distância mínima entre fases D = 19,10m Portanto, de acordo com as referências acima mencionadas, a mínima distância entre fases poderia estar na faixa de 14,70 a 19,10m. A esta incerteza, soma-se o fato de não estar explicitamente mencionado se tais expressões empíricas contemplam ou não, de forma mais apurada, a consideração do balanço assíncrono. 2.3 Tendências pela prática mundial Em [7], Technical Brochure 396 de CIGRE “Large Overhead Line Crossings”, conduzida pelo WG B2- 08, são indicadas as tendências mundiais sobre o assunto “espaçamento entre fases em grandes travessias”. Em uma apresentação do trabalho, feita por membros do Working Group, se indica uma linha de “tendência” para a relação entre [ d x (flecha)^1/2 ] e o espaçamento. Tal linha de tendência é reproduzida na figura 1 seguinte, indicando que para a travessia do Canal de Chacao o espaçamento deveria ser algo da ordem de 26m, valor consideravelmente maior que as demais travessias relatadas no mesmo documento. Fig 1: Tendência histórica para a distância entre fases É muito importante observar que tal relação trata de uma “tendência”, obtida a partir de registros históricos de projetos com bases diferentes, feitos com normas de projeto antigas e de forma isolada, considerados pelos membros do WG do CIGRE como sempre conservadores. Como exemplo, a travessia do rio Yangtze, na China, concluída em 2004 (portanto anterior ao ‘novo’ código chinês de 2013) e que faz parte da mencionada Technical Brochure CIGRE 396, tem um vão de 2.303m, estruturas de suspensão de 346m de altura e a distância entre fases adotada foi de 22,5m. Com isso, com indicações para a distância entre fases que variam de 14,70 a 26,0m, fica ainda mais evidente a importância de buscar-se uma avaliação mais avançada do problema, numa perspectiva conceitual, levando-se em conta o fenômeno de balanço assíncrono, para se ter uma otimização da geometria das torres de suspensão da travessia. 3 BALANÇO ASSÍNCRONO 3.1 Caracterização geométrica fenômeno O que se chama hoje de balanço assíncrono foi historicamente ignorado em muitos projetos implementados. Num cenário como esse, passou-se a observar ocorrência de falhas que eram atribuídas a deficiências de isolamento em pontos intermediários do vão. O equacionamento do fenômeno do movimento assíncrono é complexo. Independentemente dessa complexidade, a sua avaliação é fundamental para a otimização de uma travessia como a do Canal de Chacao, pois se tal movimento tiver valor apreciável, poderá levar à necessidade de estruturas com mísulas especiais para evitar a aproximação excessiva entre das fases adjacentes ao longo do vão. Assim sendo, a otimização da
  • 4. 4 travessia é técnica e economicamente essencial, sendo o balanço, tanto o síncrono como também o assíncrono, uma variável fundamental nesse processo. Os autores consideram a abordagem descrita em [4] como a mais elaborada na ótica conceitual. De acordo com tal abordagem, os ângulos de balanço de duas fases paralelas, situadas na horizontal, são iguais a um valor médio θ e oscilam entre si, em torno desse valor médio. De acordo com essa referência, o ângulo de balanço θ é determinado pela seguinte expressão: ߠ = tanିଵ ቀ ఘ ଶ⁄ .஼ೣ .௏ೃ మ . Gಽ . a . d . n ௡ . p . a ቁ (4) onde: ρ = densidade do ar (1,225 kg/m³); Cx = coeficiente de resistência do condutor; VR = velocidade do vento para condição de balanço; a = vão considerado; GL = fator de vão ... GL = 0,6+80/vão (conforme EN 50341-3-4) ou GL = 0.0000000004 (vão)3 -0.0000005(vão)2 -0.0001(vão)+1.0403 (conforme IEC 60826); d = diâmetro do condutor; n = número de subcondutores; p = peso próprio do condutor. Como já mencionado, tal oscilação em torno do valor médio é melhor descrita de forma probabilística, com uma distribuição simétrica em torno do valor médio e sua dispersão pode ser expressa por um desvio padrão σ. De acordo com [4], σ pode ser dado como uma função da velocidade do vento pela seguinte expressão: ߪ ൌ 2,25 ቈ1 െ ݁ ି൬ ௏ೃ మ ଶଷ଴ ൗ ൰ ቉ (5) onde: VR = velocidade do vento para condição de balanço; Com base no ângulo de balanço θ encontrado, são consideradas possíveis aproximações devidas ao movimento não síncrono entre as fases, com uma dada probabilidade de ocorrência igual ou inferior a 98%, o que pode ser estimado com base no seguinte padrão das suas posições: − fase 1 na posição θ1 = θ + 2 σ − fase 2 na posição θ2 = θ - 2 σ A figura 2, a seguir, ilustra geometricamente a determinação da distância mínima com base em tal abordagem. Fig 2: Balanço assíncrono – desenho esquemático θ2 θ1 Dmin ≤ Dff
  • 5. 5 3.2 Modelo conceitual para cálculo da distância mínima em balanço assíncrono A determinação da mínima distância entre fases que estão na posição acima esquematizada, como modelagem do movimento assíncrono, não é trivial. Para cada ângulo de balanço, a posição das fases é analiticamente estabelecida por uma função no espaço tridimensional 3D. Historicamente, a função parábola foi muito usada para vãos ordinários. Entretanto, para grandes vãos, tal aproximação não é satisfatória, sendo a função catenária a mais adequada. A função catenária, num espaço 2D (portanto, plano) ortogonal (r , s), é assim expressa: ‫ݎ‬ ൌ C cosh ቀ ௦ େ ቁ (5) onde: C = constante da catenária, que é igual a razão ‘To / p’ , sendo To a tração horizontal do cabo e ‘p’ o seu peso unitário. Em condição de balanço, tal plano (r, s) fica orientado no espaço, na sua posição média, pelo ângulo de balanço θ. São de interesse para a determinação das distâncias mínimas, em condição de balanço assíncrono, as posições das fases 1 e 2, nos ângulos θ1 e θ2, respectivamente, como anteriormente mostrado. Objetivando simplicidade, pode-se dizer que a posição central de cada fase é analiticamente estabelecida por uma função no espaço tridimensional 3D por g (x, y, z) para a fase 1 e h (x, y, z) para a fase 2. (6) Onde os valores das funções g (x, y, z) para a fase 1 e h (x, y, z) para a fase 2, para a posição central de cada uma delas, são obtidos por uma simples rotação do plano (r, s) em torno da vertical com os ângulos θ1 e θ2, respectivamente. Adicionalmente, como a função é expressa em função do parâmetro da catenária C, que é dado pela razão ‘To / p’, pode-se facilmente considerar a tração horizontal do cabo, que sabidamente varia com a pressão de vento e, portanto, com o ângulo de balanço. Assim, o problema da determinação da mínima distância entre fases na modelagem do balanço assíncrono, como geometricamente descrito no item anterior, torna-se encontrar da distância mínima .... D୫୧୬ |܏ሺ‫,ݔ‬ ‫,ݕ‬ ‫ݖ‬ሻ − ‫ܐ‬ሺ‫,ݔ‬ ‫,ݕ‬ ‫ݖ‬ሻ| no espaço de (‫,ݔ‬ ‫,ݕ‬ ‫,)ݖ‬ das duas funções, que pertence ao vão em estudo (7) O problema pode ser abordado de várias formas, entre elas: (i) analiticamente; (ii) geometricamente, com o auxílio de CAD (Computed Aided Design) ou (iii) numericamente, discretizando a função em intervalos espaçados de forma a proporcionar a precisão desejada. Considerando os recursos computacionais hoje existentes, os autores optaram por abordar o problema numericamente. Para vãos nivelados, como é aceitável para a travessia do Canal de Chacao, há simetria em relação ao meio do vão, diminuindo a discretização necessária. Para isso foi desenvolvido um programa computacional que basicamente faz o seguinte: - para VR = 0 até VR = Vmax , tomadas em ‘m’ intervalos - calcula-se θ , σ , θ1 e θ2 - calcula-se ‘n’ posições discretas para g (x, y, z) para a fase 1 e para h (x, y, z) para a fase 2; - calculam-se as distâncias entre todos as posições discretizadas em cada função (isto é, ‘n x n’ distâncias, determinando-se a mínima entre todas elas. Com isso, para qualquer velocidade de vento variando desde a condição ‘zero’ até um valor máximo VR = Vmax de interesse de verificação, tem-se a distância mínima que pode se localizar em qualquer ponto do vão discretizado. 3.3 Cálculos efetuados Para a aplicação do modelo na travessia do Canal de Chacao, os seguintes dados foram tomados: ρ = densidade do ar: 1,225 kg/m³; Cx = coeficiente de resistência do condutor: 1,0; VR = velocidade do vento para condição de balanço; a = vão considerado: 2550 m; GL = fator de vão: 0,845 (conforme IEC 60826, de forma mais conservadora que a EN 50341-3-4, que seria = 0,6+80/2550 = 0,631);
  • 6. 6 d = diâmetro do condutor: 0,035103m; n = número de subcondutores: 3; p = peso próprio do condutor: 3,172710 daN/m. A velocidade máxima VR = Vmax, considerada de interesse de verificação, foi tomada igual a correspondente ao balanço de frequência industrial (com T = 100 anos, VR = 32m/s). Com ela, se obtêm o seguinte: - ângulo de balanço médio: θ = 30,386o - σ = 2,224o - fase 1 na posição θ1 = θ + 2 σ = 34,834o - fase 2 na posição θ2 = θ - 2 σ = 25,939o Outra velocidade VR de interesse especial é igual àquela correspondente ao balanço para surto de manobra (com T = 3 anos, VR = 19m/s). Com ela, se obtêm o seguinte: - ângulo de balanço médio: θ = 11,680o - σ = 1,782o - fase 1 na posição θ1 = θ + 2 σ = 15,243o - fase 2 na posição θ2 = θ - 2 σ = 8,116o Apesar das mencionadas velocidades de interesse especial, é importante observar que as distâncias mínimas podem ocorrer para outras velocidades de vento, intermediárias e, inclusive, inferiores. Realizando-se o procedimento numérico descrito em 3.2 é possível observar-se o comportamento para as distâncias mínimas, para cada velocidade, representado pela figura seguinte. Neste processo, as velocidades de vento foram variadas de 0 a 40 m/s, em intervalos de 1 m/s, e o vão foi discretizado de 10 em 10 cm. Fig 3: distâncias mínimas em função de VR, para diferentes espaçamentos na torre Como fica evidente, as distâncias mínimas ocorrem para velocidades de vento inferiores às velocidades correspondente ao balanço de frequência industrial (T = 100 anos, VR = 32m/s), e inclusive àquelas correspondentes ao balanço para surto de manobra (T = 3 anos, VR = 19m/s). O fato evidencia que, de acordo com o modelo adotado, a probabilidade anual de ocorrência (1/T), de aproximação das fases com esse valor de distância mínima entre as mínimas, é significativa. Entretanto, mesmo assim, tal distância terá que ser inferior ao valor da distância elétrica mínima de isolamento aceitável entre as fases, que corresponde à distância numa condição de tensão de frequência industrial, conforme estabelecido no item 2.1deste artigo (Dff = 1,48m).
  • 7. 7 A figura 4 a seguir ilustra a distância Dmin em função da distância entre fases na torre. O valor Dmin aqui representado corresponde ao eixo do feixe de subcondutores. Portanto é necessário ainda subtrair o diâmetro exterior do feixe de condutores, que no caso da travessia do Canal de Chacao é igual a 0,64m. Fig 4: distâncias mínimas em função de diferentes espaçamentos na torre Na travessia do Canal de Chacao, o espaçamento adotado na torre de suspensão foi de 22m. Para tal afastamento, os estudos acima mostram que Dmin = 2,55m. Descontado o diâmetro exterior do feixe de condutores de 0,64m, conclui-se que a aproximação mais crítica, o real valor mínimo Dmin será de 1,91m que é maior que a distância crítica mínima numa condição de tensão de frequência industrial, conforme estabelecido no item 2.1deste artigo (Dff = 1,48m). 4 OBSERVAÇÕES E CONCLUSÕES O problema da avaliação da mínima distância entre fases considerando-se o balanço assíncrono não é trivial e evidencia ser altamente não linear. Os autores entendem que a metodologia descrita em [4] é aquela disponível que se apresenta de forma mais elaborada na ótica conceitual. O desafio na sua completa aplicação é o de verificar distâncias mínimas para todas as posições de balanço possíveis e em todas as posições do vão, sendo que a posição mais crítica não é de fácil identificação, tornando exaustiva a sua busca. Considerando-se os recursos computacionais hoje existentes, os autores entendem ser adequado tratar o problema numericamente, fazendo uma discretização bastante refinada, tanto das ações como do vão (que no caso deste artigo foi de 10cm). Neste estudo para a travessia do Canal de Chacao, relatado neste artigo, o problema foi enfrentado através da elaboração de um programa computacional relativamente simples que permitiu a confecção de gráficos bastante esclarecedores. A faixa de valores de velocidades de vento a ser considerada nessa avaliação deve ir de um valor zero (sem vento) até uma velocidade de vento, cujo valor tenha uma probabilidade anual, ainda aceitável, de ser não ser excedido. Normalmente este valor máximo é o valor da velocidade VR considerada de interesse de verificação ao balanço em condição de frequência industrial (que provoca o maior balanço). Entretanto, é importantíssimo salientar que as aproximações máximas não ocorrem necessariamente com as maiores velocidades de vento, como se pode facilmente constatar na figura 3. A figura 5 a seguir mostra, num plano perpendicular ao eixo da LT e em perspectiva, a condição mais crítica (VR = 14m/s) encontrada para o afastamento de 22m adotado, ao lado da condição correspondente à velocidade de vento tomada para verificação do balanço para surtos de manobra (VR = 19m/s). Note-se que, enquanto para a velocidade de vento de 14m/s a distância mínima acontece no meio do vão e é igual a 2,55m, para a velocidade de vento de 19m/s a distância mínima ocorre numa outra posição distante do meio do vão e é igual a 4,38m, evidenciando que uma avaliação do balanço assíncrono apenas para velocidades de vento altas levaria a conclusões equivocadas e contrárias a segurança. 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Dmin Distância entre fases na torre
  • 8. 8 Fig 5: distâncias mínimas, para diferentes VR, para o afastamento entre fases de 22m (adotado) Com base no estudo aqui relatado, os autores entendem que o valor de 22m adotado para a torre de suspensão da travessia do Canal de Chacao é seguro e resulta de uma tomada de decisões com base conceitual mais elaborada do que as fórmulas empíricas encontradas em códigos e, ao mesmo tempo, promove otimização se comparada com a tendência mundial, possivelmente conservadora, ilustrada na referência [7]. 5 REFERÊNCIAS [1] EHV Reference Book 345 kV and Above - EPRI 1982 345kV [2] IEC 60826 Ed 3.0: Design criteria of overhead transmission lines (2003). [3] EN-50341-1: Overhead Lines exceeding AC 45 kV Part 1: General rules [4] Kiessling, F.; Nefzger, P.; Nolasco, J.F.; Kaintzyk, U.: Overhead power lines – Planning, design, construction. Berlin-Heidelberg-New York, Springer, 2003. [5] CIGRE - Technical Brochure 348 “Tower Top Geometry and Mid Span Clearances” (2008). [6] EN 50341-3-4: Overhead electrical lines exceeding AC 45 kV – Part 3-4: National Normative Aspects (NNA) for Germany, 2002. [7] CIGRE - Technical Brochure 396 “Large Overhead Line Crossings” (2009); [8] LT 2 X 500 kV Nueva Porto Montt – Nueva Ancud: Estudios Cruce Canal de Chacao, Relatório Confidencial, 2018 [9] Kiessling, F.; Palestra no International Workshop on Long Span Crossings in Overhead Transmission Lines – CIGRE/Brasil 2007.