(Manuel Bolotinha *)

 

1.            INTRODUÇÃO

A corrente alternada (ca) é amplamente utilizada no transporte de energia eléctrica, mas existem situações em que essa forma se revela técnica e/ou economicamente inviável, devido ao comprimento da linha[1] (aérea, subterrânea ou submarina), ao valor das correntes e tensões utilizadas e também à impossibilidade de ligar redes não sincronizadas nem sincronizáveis.

Nessas condições recorre-se ao transporte da energia eléctrica em corrente contínua (cc), sendo por isso necessário transformar a ca em cc e depois cc em ca, o que é feito nas subestações (SE) de corrente contínua (ver Capítulo 4), representando-se na Figura 1, de forma esquemática e simplificada essa transformação.

Figura 1 – Representação esquemática da transformação ca/cc e cc/ca

2.            A ONDA ELECTROMAGNÉTICA

As grandezas eléctricas tensão (U) e corrente (I) têm a forma de uma onda sinusoidal, sendo caracterizadas pelos seguintes parâmetros, que se encontram representados na Figura 2.

  • Valor de pico (que representaremos por Ap) – V e A, respectivamente para a tensão e a corrente,
  • Valor eficaz (Aef) que está relacionado com o valor de pico pela expressão Aef = Ap/√2 ≈ 0,71Ap.
  • Período (Ts), que representa o tempo de um ciclo completo da oscilação da onda.
  • Frequência (fHz), que representa o número de períodos por unidade de tempo. Estas duas grandezas estão relacionadas pela expressão f = 1/T; os valores das frequências nominais das redes são 50 Hz e 60 Hz.
  • Comprimento de onda (λ), que representa distância entre dois pontos consecutivos com o mesmo valor e o mesmo sentido.

É calculado pela expressão λ = c/f, onde c representa a velocidade da luz no vácuo (≈ 300.000 km/s).

Figura 2 – Onda electromagnética sinusoidal

 

Teoricamente para linhas com um comprimento l ≥ λ/4 (1500 km para redes com f = 50Hz e 1250 km para redes com f = 60 Hz), as reactâncias indutivas e capacitivas (à terra) distorcem os valores das grandezas eléctricas, podendo gerar harmónicas insuportáveis para a rede e desfasagens entre os valores nas extremidades da linha.

Na prática verifica-se que aquelas distâncias são reduzidas significativamente, uma vez que as reactâncias em causa variam com o tipo de linha e o seu processo construtivo e de montagem.

Relembra-se que no caso das linhas aéreas a reactância indutiva de cada condutor é influenciada pelos condutores das outras fases e pelos condutores do outro circuito (nas situações em que no mesmo apoio da linha aérea são instalados dois circuitos)[2], influência essa que depende também do tipo de configuração da linha aérea (esteira horizontal, esteira vertical, etc.).

 

3.            APLICAÇÃO DA CORRENTE CONTÍNUA NO TRANSPORTE DE ENERGIA

No capítulo anterior foram analisadas as razões para a utilização do transporte de energia em corrente contínua, o que habitualmente apenas se faz em Muito Alta Tensão (MAT).

No caso das linhas aéreas este processo é utilizado normalmente em linhas com comprimentos superiores a 800 km (embora nalgumas situações se imponha o limite de 600 km para o transporte de energia em ca) e tensões entre os 400/500 kV e os 800 kV, existindo na China uma linha em cc para 1100 kV.

Nos cabos subterrâneos a utilização da cc é pouco vulgar, sendo usada para comprimentos superiores a 40/50 km e tensões entre os 110 kV e os 220 kV.

Nos cabos submarinos o transporte de energia em cc é utilizado em MAT (110 kV ≤ U ≤ 400 kV), também para comprimentos superiores a 50 km.

Outra aplicação comum do transporte de energia eléctrica em cc é a interligação de redes com frequências nominais diferentes (50 Hz e 60 Hz).

Para além de evitar a distorção das ondas electromagnéticas sinusoidais, o transporte de energia em cc tem as seguintes vantagens principais:

  • Anulação da interferência electromagnética causada por outras linhas aéreas ca (ou cc) que se encontrem na sua vizinhança.
  • Melhoria da estabilidade da rede, devido à insensibilidade às variações de frequência, sem aumento da corrente de curto-circuito.
  • O fluxo de energia e a regulação de frequência em sistemas ca ligados por linhas cc é independente da restante rede.
  • Melhoria da compatibilidade electromagnética (EMC).
  • Não é necessário compensar a energia reactiva, resultante da indutância de linhas muito compridas.
  • Diminuição das perdas adicionais causadas pela elevada capacitância das linhas, o que é particularmente relevante no caso de alguns cabos submarinos.
  • Menores perdas dieléctricas.
  • Diminuição do efeito de coroa[3] nas linhas aéreas com a consequente diminuição das perdas e produção de ozono que lhe estão associados.
  • Eliminação do efeito pelicular[4], o que permite reduzir a secção dos condutores.
  • Diminuição do espaço necessário para implantação da linha aérea, o que reduz o impacto ambiental (particularmente o visual).
  • Custo mais reduzido (apoios mais ligeiros e condutores com menor secção).

Em contrapartida, as principais desvantagens são:

  • Necessidade de mais espaço na SE para implantação dos conversores ca/cc ou cc/ca e dos equipamentos que lhe estão associados (ver Capítulo 4).
  • Custo mais elevado da SE.
  • Necessidade de instalar filtros de harmónicas e baterias de condensadores, para compensar as harmónicas geradas pelos conversores, evitando a sua injecção na rede ca, tendo em atenção o estabelecido na Norma IEC[5] 61000 – Electromagnetic compability (EMC), e o normalmente baixo factor de potência dos referidos conversores.

 

4.            SUBESTAÇÕES DE CORRENTE CONTÍNUA

As SE de corrente contínua são habitualmente do tipo AIS[6], semelhantes às SE de corrente alternada, dispondo de equipamentos ca e cc, incluindo os conversores ca/cc e/ou cc/ca, os respectivos equipamentos de corte, protecção e manobra e os sistemas de comando, controlo e protecção que lhes estão associados, o que se representa na Figura 2[7], apresentando-se na Figura 3 o esquema unifilar simplificado de uma SE ca/cc (ou cc/ca)

Estas SE têm também instalações apenas em ca não só para a para a ligação de linhas e outros equipamentos ca, que não participam na conversão e destinados ao tradicional sistema de transporte de energia em ca.

Figura 3 – Representação esquemática de uma SE ca/cc

 

Veja-se agora com mais detalhe a constituição de um painel de conversão ca/cc (ou cc/ca).

A função dos filtros de harmónicas e das baterias de condensadores foram analisadas no Capítulo 3 – ver Figura 4.

Figura 3 Esquema unifilar simplificado de uma SE ca/cc

Veja-se agora com mais detalhe a constituição de um painel de conversão ca/cc (ou cc/ca).

A função dos filtros de harmónicas e das baterias de condensadores foram analisadas no Capítulo 3 – ver Figura 4.

Figura 4 – Conjunto de filtros de harmónicas e de baterias de condensadores

Os transformadores conversores, habitualmente trifásicos, destinam-se a transformar o nível de tensão ca (habitualmente ≤ 400 kV) no nível de tensão cc (habitualmente ≥ 500 kV), ou vice-versa. Têm normalmente 3 enrolamentos, 2 ligados em estrela (1 deles ligado à instalação ca) e 1 em triângulo (ligado ao conversor) – ver Figura 5.

Os equipamentos a instalar no lado ca da SE (seccionadores, disjuntores, transformadores de medida, etc.) são em tudo idênticos aos instalados nas SE “clássicas” ca.

No lado cc da SE são instalados descarregadores de sobretensões (DST) – Figura 5 – com o objectivo de protecção da instalação contra descargas atmosféricas e como método para facilitar a coordenação de isolamento.

Figura 5 – Transformadores conversores e DST

 

Os valores da tensão, para efeitos de comando e controlo, são obtidos através de um divisor de tensão cc.

A tecnologia dos actuais dos conversores ca/cc e cc/ca permite que o mesmo equipamento realize ambas as funções (transformação ca/cc e transformação cc/ca). Os conversores (um por cada pólopositivo e negativo), que se encontram representados na Figura 6, são constituídos por tirístores semi-condutores ligados em série, para evitar que com tensões iguais ou superiores a 500 kV seja ultrapassado o valor de ruptura dieléctrica[8] dos equipamentos semi-condutores.

Figura 6 – Inversor ca/cc e cc/ca

 

Fonte: GE Energy Connections

Para que o equipamento possa realizar ambas as inversões atrás referidas utilizam transístores bipolares de porta isolada (habitualmente designados por IGBT, a sigla inglesa de insulated-gate bipolar transistor).

O isolamento dos circuitos de baixa tensão de comando e controlo dos inversores da alta tensão das linhas de transporte é feito por meios ópticos.

Nas SE que se destinam a ligar redes adjacentes não sincronizáveis, com frequências diferentes (ver Capítulo 3), é habitual instalar ambos os inversores ca/cc e cc/ca apenas naquelas SE, o que encontra representado na Figura 7. Esta solução é conhecida pela designação inglesa back-to-back.

Figura 7 – SE inversora back-to-back

Fonte: GE Energy Connections

Traduzindo esquematicamente o que foi exposto sobre estas SE, teremos:

Figura 8 – Representação esquemática de uma SE back-to-back

 

Uma solução também utilizada é, para linhas bipolares (ver Capítulo 5), dividir o conversor de cada pólo (positivo e negativo) em duas unidades iguais; em caso de avaria de uma das unidades um seccionador de bypass (ver Figura 9) permite pôr fora de serviço a unidade em avaria, mantendo o sistema a funcionar, com uma tensão que será metade da tensão nominal da rede.

Figura 9 – Seccionador de bypass

 

O isolamento da instalação cc é realizado habitualmente por interruptores.

A instalação ca utilizará as protecções habituais nas SE clássicas. Os conversores deverão ser protegidos contra sobreintensidades e sobretensões, enquanto as protecções utilizadas para as linhas cc são a protecção contra sobreintensidades, protecção diferencial de linha e protecção contra assimetrias (para detectar a eventual presença persistente da harmónica fundamental (50 Hz ou 60 Hz) e da segunda harmónica (100 Hz ou 120 Hz) entre os terminais de cada pólo).

5.            LINHAS AÉREAS DE CORRENTE CONTÍNUA

A configuração mais habitual das linhas aéreas cc é a instalação de ambos os condutores do positivo (+) e do negativo () no apoio (designada como configuração bipolar), como se representa na Figura 10.

Figura 10 – Linhas cc com configuração bipolar

 

Fonte: Weaponofmassinstruction at English Wikipedia.Photo by J. Lindsay:Weaponofmassinstruction 20:39, 23 August 2005 (UTC) – Transferred from en.wikipedia to Commons by J JMesserly using CommonsHelper., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5488158

Em linhas aéreas extremamente longas (l ≥ 900/1000 km) a melhor solução é instalar apenas o condutor do positivo no apoio, fazendo o retorno (negativo) pela terra, instalando para o efeito, em cada SE eléctrodos de terra específicos para esse efeito (designada como configuração monopolar), como se representa esquematicamente na Figura 11. Caso tal não seja possível, para a implementação desta configuração utiliza-se um condutor metálico assente na terra.

Figura 11 – Representação esquemática da configuração monopolar

 

A implementação desta configuração deve ter em consideração que o retorno pela terra não é afectado pelas ligações à terra dos componentes metálicos normalmente sem tensão, como é o caso dos apoios da linha aérea.

À semelhança das linhas aéreas ca, as linhas aéreas cc são fundamentalmente constituídas por:

  • Apoios metálicos, constituídos por perfilados de aço, galvanizados a quente por imersão, após fabrico[9], formando uma estrutura treliçada.
  • Maciço de fundação.
  • Condutores nus em alumínio (designados por AAC, a sigla inglesa All Aluminium Conductors), concêntricos em liga de alumínio (sendo a liga Al-Mg-Sialumínio-magnésio-silício – a mais utilizada) compostos de uma ou mais camadas (feixes) de fios de liga de alumínio do tipo AAAC (da sigla inglesa All Aluminium Alloy Conductors), conhecida como Almelec ou Aldrey (que são marcas registadas de fabricantes) e correctamente designados como AL2, AL3, AL4 ou AL5, obedecendo às normas EN 50182 e 50183, que constituem a solução mais vulgarmente utilizada ou concêntricos em alumínio-aço, apelidados de ACSR (da sigla inglesa Aluminium Cable Steel Reinforced).
  • Colunas de isoladores (constituídas por isoladores cerâmicos, em resina epoxy ou em vidro, acopláveis, montados de forma que permitam o acoplamento amovível de uma série de elementos, até obter o nível de isolamento desejado).

O número de isoladores em cada cadeia depende não só da tensão da rede, mas também do comprimento mínimo da linha de fuga, para evitar a disrupção do arco eléctrico entre os condutores activos e as massas metálicas ligadas à terra (“contornamento”), tendo em atenção a poluição existente na zona, de acordo com o estabelecido na Norma IEC 60815.

  • Ligadores (pinças de amarração e de suspensão), uniões de condutores por compressão, com manga em alumínio e corpo em aço galvanizado forjado e respectivos acessórios.
  • Sistema de protecção contra descargas atmosféricas, constituído por cabo de guarda do tipo OPGW[10].
  • Sistema de balizagem diurna e nocturna, nas zonas em que a linha aérea cruza ou acompanha a rede viária ou ferroviária, parte de acidentes vários geográficos, zonas de diversas características, designadamente de protecção ambiental, para alerta da avifauna, e parte das várias rotas aéreas quer sejam da aviação comercial quer sejam da aviação militar.
  • Ligações à terra.
  • Chapas de “Perigo de Morte” e de identificação/número do apoio.

Os processos de cálculo e os procedimentos de montagem são também iguais aos das linhas aéreas ca, compreendendo estes últimos as seguintes operações:

  • Reconhecimento do traçado da linha aérea, tendo por base a planta, à escala 1/25000, e o perfil da linha, à escala 1/2500, e construção do corredor da linha aérea e os respectivos acessos. (l
  • Piquetagem da linha (localização no terreno dos pontos de implantação dos apoios definidos sobre o perfil, através da medição e transmissão de alinhamentos e medição de vãos, por processos topográficos, a taqueómetro, estação total ou GPS).
  • Transporte dos postes para o local onde vão ser implantados.
  • Marcação e abertura das covas dos maciços de fundação dos postes.
  • Montagem da base do apoio e dos eléctrodos de terra e betonagem dos maciços.
  • Montagem das restantes secções do apoio[11] e respectivas fixações e apertos
  • Montagem das cadeias de isoladores, pinças de amarração e suspensão e roldanas.
  • Desenrolamento dos condutores e cabo de guarda e respectiva montagem.
  • Regulação dos condutores, feita pela medida da tensão de colocação nos vãos constantes do projecto, através de dinamómetro adequado, ou pela medição da flecha, utilizando neste caso uma luneta de retículo (ou meridiana).
  • Fixação de condutores.

 

NOTAS:

[1] Neste parágrafo, bem como no restante texto, a designação “linha” refere-se tanto a linhas aéreas como a cabos isolados enterrados ou submarinos, salvo indicação explícita em contrário.

[2] Este fenómeno é designado por indução mútua.

[3] O efeito de coroa é o fenómeno que resulta de uma descarga parcial no ar (generalizando, em qualquer fluído) provocada pela ionização desse meio quando um condutor é percorrido pela corrente eléctrica e verifica-se quando o valor do gradiente do campo eléctrico é suficiente para ionizar o meio, mas não para provocar a sua ruptura dieléctrica ou um arco eléctrico entre os condutores. Este fenómeno verifica-se sobretudo quando a distância entre condutores é grande quando comparada com o seu diâmetro.

[4] O efeito pelicular é um fenómeno que se verifica em ca, em que a densidade de corrente é maior junto à superfície do condutor do que no seu interior. A corrente eléctrica fluí principalmente junto à superfície do condutor e o seu fluxo é menor nas camadas interiores, o que na prática resulta na diminuição da secção útil do condutor e corresponde a um aumento da sua resistência. Este efeito resulta das correntes induzidas (ou de Foucault) devidas à variação do campo magnético e que se opõem à corrente do circuito.

[5] IEC: International Electrotechnical Commission.

[6] AIS: Air Insulated Substation.

[7] As imagens cujas fontes não são indicadas foram retiradas da documentação técnica da Siemens.

[8] A ruptura dieléctrica de um material isolante acontece quando o valor do campo eléctrico a que ficam submetidos é muito intenso, tornando esses materiais condutores. Diz-se que, nestas circunstâncias, se dá uma disrupção.

[9] A galvanização dos perfilados deve obedecer às normas EN ISO 14713, EN ISO 1461:2009, ISO 9223:1992 e ISO 2063:2005. De acordo com estas normas a espessura de galvanização depende do tipo de perfil e da agressividade salina do meio ambiente onde os apoios estão inseridos.

EN: Normas Europeias. ISO: International Organization for Standardization.

[10] OPGW (Optical Power Ground Wire): cabo que contém uma estrutura tubular com um ou mais cabos de fibra óptica destinados à comunicação entre SE e/ou com os Centros Operacionais de Rede (COR). A estrutura referida é  rodeada por camadas de fio de aço ou alumínio, que serve de protecção contra as descargas atmosféricas

[11] Esta operação deve incluir também a montagem das chapas de identificação do apoio e de “Perigo de Morte”, ou semelhante.

[i]Engenheiro Electrotécnico – Energia e Sistemas de Potência (IST – 1974)

Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (FCT-UNL – 2017)

Consultor em Subestações e Formador Profissional

O Autor não utiliza o Novo Acordo Ortográfico