17.ago ametista 11.20_221_cemig-d
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1
Metodologia de Cálculo de Ampacidade de
Linhas Aéreas de Transmissão
Considerando a Influência da Camada Limite
da Atmosfera
Carlos Alexandre M. Nascimento Cemig D
João Antônio Vasconcelos - UFMG
00:00
Plano de Apresentação
Motivação
Objetivos
Metodologia de Cálculo de Ampacidade – AmpCLA
Aplicação da Metodologia AmpCLA
• Caso Teórico
• Caso Real
Análises dos Resultados
Conclusões
00:00
Motivação
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).
Aumento na demanda por energia apresenta forte restrição na
transmissão, devido principalmente à dificuldade de expansão de novos
corredores para novas linhas.
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.
Novos estudos para aumentar a capacidade de transmissão nas linhas
aéreas existentes é uma necessidade atual do setor elétrico mundial.
00:00
Objetivo Geral PeD_D162
uma nova metodologia para efetuar o cálculo da ampacidade -AmpCLA.
o estudo da influência do vento ao longo de todos os vãos de uma linha aérea.
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.
Analisar a influência da regionalização da amplitude da velocidade
do vento na capacidade de transmissão das linhas aéreas, e propor
a partir disso:
00:00
Regimes de Operação
Relação entre as variáveis: temperatura do condutor (T) e altura ou distância do
condutor ao solo (D).
TNP
TLP
DLP
DNP
WD
WA
ΔWAC
CLA - Camada Limite da Atmosfera
I
Normal
TMPDmP
WD
WA
ΔWAC
CLA - Camada Limite da Atmosfera
I
Emergência
00:00
0
25
50
75
100
125
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Te
mp
era
tura
do
Co
nd
uto
r(°C
)
Corrente (A)
Ampacidade X Dados Reais Monitorados
Vento = 0 m/s
Vento = 1,0 m/s
Vento = 1,5 m/s
Dados Reais
Temperatura de Projeto = 75 °C
Ampacidade Estática (540 A)Representação Geométrica do Cálculo Determinístico
(Temperatura Ambiente = 30 C, Ângulo 90 C de ataque
do vento e Radiação Solar = 1000 W/m2).
Camada Limite
da Atmosfera
IW
D
W
A
ΔW
AC
I e Clima – “constantes”
Método Determinístico de Cálculo de
Ampacidade
530 A
00:00
Metodologia de Trabalho
•Simulação do modelo UFMG/CEMIG na região
de Askervein – Validação Numérica;
•monitorar os ventos em uma região (sítio
experimental) – Sítio de Acuruí/MG;
•monitoramento da velocidade de
vento, instalação de anemômetros na LT;
•medição dos esforços mecânicos dinâmicos em
estrutura tipo estaiada;
•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)
4
00:00
1
2
3
4
7
5
8
6
Sítio Climatológico de Acuruí/MG
00:00
Velocidades Máximas Horárias do Vento - Acuruí/MG
0
10
20
30
40
50
60
70
80
00-0
1h
02-0
3h
04-0
5h
06-0
7h
08-0
9h
10-1
1h
12-1
3h
14-1
5h
16-1
7h
18-1
9h
20-2
1h
22-2
3h
Horário
Velo
cid
ade d
o V
ento
(km
/h)
1
2
3
4
5
6
7
8
Resultados: Perfil de Vento Medido
00:00
Perfil de Velocidades para os pontos internos
de Acuruí
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
4 5 6 7 8 9 10 11
Velocidade [m/s]
Alt
ura
[m
]
Ponto 1
Ponto 4
Ponto 6
Validação:
Perfil de Vento Simulado
Sítio de Acuruí/MG
4
6
1
00:00
Processamento Computacional da CLA
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);
direção do vento em relação à referência geográfica segundo os seguintes ângulos de
incidência (45; 135; 225; 315°C) (veja Figura 3.1);
atmosfera neutra, isto é, número de Froude superior a 1000;
rugosidade da região considerada constante para vegetação tipo grama.
Figura 3.1 Domínio de simulação com os ângulos deincidência do vento.
Tabela 2.9 Valores gerais do número de Froude e o estado daatmosfera correspondente.
Fr Estado da Atmosfera
> 1000 CLA Neutra
10 < Fr <1000 CLA Estável
-100 < Fr < 10 CLA Instável
00:00
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 3.2 Perfil do terreno e planta da linha aérea com as localizações dosvãos críticos elétricos – Vce (linha cheia).
Figura 3.3 Valores experimentais médios develocidade de vento e localização na planta dalinha aérea.
VVVccceec
00:00
Critério para Localização do Vão Crítico
VVVccceec
Vão mais crítico
Região de menor velocidade de vento
Região de maior velocidade de vento
00:00
Aplicação da Metodologia AmpCLA
Caso Teórico
Figura 4.1 Representação do perfil e planta plano (PPP) da linha hipotética.
Região com surgimento de calmaria da velocidade do vento em função das características da
CLA
(i)
Figura 4.2 Representação do perfil e planta não-plano (PPNP) .
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.
00:00
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 / IRefonde:
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.
00:00
Etapas da Metodologia AmpCLA1. Selecionar os parâmetros da linha aérea a ser estudada.
2. Discretizar o domínio de estudo, isto é, a região topográfica digitalizada contendo todos os vãos da
linha aérea, utilizando um malhador apropriado.
3. Efetuar simulações da CLA para o domínio discretizado na etapa 2, utilizando as condições de
fronteira apropriadas.
4. Identificar os Vãos Críticos Climatológicos – Vcc, a partir das menores amplitudes de velocidade do
vento simuladas na etapa 3.
5. Identificar no projeto da linha os Vãos Críticos do ponto vista elétrico - Vce.
6. 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.
7. 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.
8. Recalcular as distâncias livres no conjunto de vãos Vc utilizando a temperatura do condutor obtida
na etapa 7.
9. Identificar o pior caso, isto é, de menor distância livre.
10. Calcular a ampacidade final da linha para o vão crítico identificado na etapa 9.
Aplicação do Estudo da Camada Limite Atmosferica na
Ampacidade de Linhas Aéreas (p&d-162)
00:00
Aplicação da Metodologia AmpCLAEtapa 1: Escolha dos Parâmetros da Linha
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
0 10000 20000 30000 40000 50000
Progressiva (metros)
Altitu
de
(m
etr
os)
Figura 5.1 Perfil e Planta Digital do Condutor naLinha Aérea 138 kV em estudo.
As características de projeto da linha aérea:
•Condutor tipo Linnet ou 336 (mcm)
•Tensão da linha = 138 kV
•Radiação solar = 1000 W/m2
•vento a 10 metros de altura do solo = 1 m/s
•Ângulo do vento em relação ao condutor = 90°
•Temperatura ambiente = 30 °C
•Temperatura normal do condutor = 60 °C
•Temperatura de emergência do condutor = 80 °C
•Ângulos do vento na fronteira da região de interesse
para simulação da CLA = 45, 135, 225 e 315°.
Etapa 2: Selecionar a Região de Estudo
Figura 5.3 Região Experimental de Acuruí-MG digitalizada, contendo a linha aérea 138 kV.
00:00
Figura 5.3 Região Experimental de Acuruí-MG digitalizada, contendo a linha aérea 138 kV.
Figura 5.4 Trecho da Linha na Região Experimental de Acuruí-MG digitalizada.
Etapa 3: Processamento da CLA
condição de contorno definida a 10 metros de altura do solo,
velocidade do vento na entrada igual a 1 m/s,
atmosfera neutra (Número de Froude > 1000).
00:00
Etapa 3: Processamento da CLAGeração do Banco de Dados da CLA
Tabela 5.1 Resultados obtidos com a simulação da CLA no vão 1.
CódigoVão
Condição de ContornoComponentes da Velocidade do
Vento (m/s) Módulo da Velocidade do Vento (m/s)Ângulo de Ataque do Vento
(Figura 3.1) ( )Velocidade do Vento
(m/s)VU VV VW
1 45 0,4 0,3459 0,3817 -0,0013 0,5151
1 45 0,6 0,5192 0,5729 -0,002 0,7731
1 45 0,8 1,8348 4,2825 -0,2403 4,6652
1 45 1 1,6351 3,8204 -0,1873 4,1598
1 45 2 1,779 2,7179 -0,0748 3,2492
1 45 3 2,563 3,2412 -0,0434 4,1324
1 45 4 3,5037 4,0734 -0,0176 5,373
1 45 5 4,5019 5,0014 -0,0003 6,7291
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].
00:00 20
Etapa 4: Identificar os Vãos Críticos Climatológicos
Vcc
Vão 51-52
0,9 m/s
Vão 40-41
0,9 m/s
Vão 20-21
0,9 m/s
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
1-2
11
-12
21
-22
31
-32
41
-42
51
-52
61
-62
71
-72
81
-82
91
-92
10
1-1
02
11
1-1
12
12
1-1
22
13
1-1
32
Números dos Vãos
Ve
locia
de
do
Ve
nto
no
Vã
o (
m/s
)Valores simulados (m/s)
Condição de Contorno (1 m/s)
Figura 5.5 Velocidade do vento nos vãos da linha aérea de 138 kV.
O valor mostrado na Figura 5.5
é o menor valor de velocidade
de vento obtido nas 4
simulações das direções
00:00
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).
VãoVelocidade do Vento Simulada (m/s)
Distância livre (m) para velocidade do vento igual a 1 (m/s)
3-4 1,1 10
19-20 0,9 10
20-21 0,9 10
39-40 1,0 10
40-41 0,9 10
Figura 5.2 Perfil e Planta Original de umVão da Linha Aérea 138 kV em estudo.
00:00
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.
10,19,9 109,99,9
13,8
8
9
10
11
12
13
14
0,8 0,9 1 1,1 1,2
Velocidade do Vento (m/s)
Altu
ra L
ivre
(m)
Figura 5.6 Determinação dos vãos não-dominados.
00:00
Etapa 10: Cálculo Ampacidade e Fc
Tabela 5.6 Resultados Obtidos para o Problema PPP.
Determinístico[Velocidade do Vento = 1,0 m/s]
Regime Normal60 C
Emergência80 C
0,83 1,12
Tabela 5.7 Resultados Obtidos para o Problema PPNP.
Determinístico[Velocidade do Vento = 0,9 m/s]
Regime Normal60 C
Emergência80 C
0,80 1,08
Notas: * Estação Climatológica Subestação Ouro Preto 1.** Por critério de segurança, o menor valor de corrente define a ampacidade probabilística no regime normal.
Fcregime normal = 0,80 / 0,83
Fcregime normal = 96 %
Fcregime emergência = 1,08 / 1,12
Fcregime emergência = 96 %
Vão 51-52
0,9 m/s
Vão 40-41
0,9 m/s
Vão 20-21
0,9 m/s
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
1-2
11
-12
21
-22
31
-32
41
-42
51
-52
61
-62
71
-72
81
-82
91
-92
10
1-1
02
11
1-1
12
12
1-1
22
13
1-1
32
Números dos Vãos
Ve
locia
de
do
Ve
nto
no
Vã
o (
m/s
)
Valores simulados (m/s)
Condição de Contorno (1 m/s)
00:00
Análise da Metodologia AmpCLASítio Experimental de Acuruí-MG
Localização do Sítio Experimental de Acuruí-MG,
Estações de Medição da Amplitude da Velocidade do Vento,
Sistema de Monitoramento de Temperatura do Condutor da Linha.
Figura 6.1 Localização do sítio experimentalde Acuruí-MG.
Figura 6.2 Localização das estações devento e a linha aérea no sítio experimentalde Acuruí-MG.
Figura 6.3 Visualização das estações de velocidade de vento no sítioexperimental de Acuruí-MG.
Figura 6.4 Localização dos sensores PowerDonut-2 na região de Acuruí-MG.
Figura 6.7 Detalhe da instalação do sensorPower Donut-5106 no vão 50-51.
00:00 25
Análise dos Valores Numéricos e Medidos de Velocidade do
Vento
Figura 6.8 Comparação entre valores medidos e simulados das estações de coleta develocidade do vento em Acuruí-MG. A coluna em amarelo, referente à estação No.2, identifica a referência utilizada.
00:00
Simulações da Velocidade do Vento nos Vãos da Linha
Velocidades Médias do Vento nos Vãos 50 e 75
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 1 2 3 4 5
Condição de Contorno da CLA - Velocidade do Vento (m/s)
Ve
locid
ad
e d
o V
en
to
Sim
ula
da
(m
/s)
Valor Médio Vão 50 (m/s)
Valor Médio Vão 75 (m/s)
Velocidades Médias do Vento no Vão 50
0
2
4
6
8
0 1 2 3 4 5
Condição de Contorno da CLA - Velocidade do Vento (m/s)
Ve
locid
ad
e d
o V
en
to
Sim
ula
da
(m
/s)
45° 135° 225° 315° Valor Médio (m/s)
Figura 6.5 Localização do sensor Power Donut-5106 (Vão50).
00:00 27
Monitoramento da Temperatura do Condutor em Tempo
Real
-5
5
15
25
35
45
100 120 140 160 180 200 220 240 260
Corrente (A)
Te
mp
era
tura
do
Co
nd
uto
r (º
C)
Diferença Vãos(50, 75) Vão 50 Vão 75
Figura 6.14 Comparação entre os valores médios das
médias horárias das temperaturas do condutor
monitoradas na LT 138 kV em Acuruí-MG.
-5
5
15
25
35
45
100 120 140 160 180 200 220 240 260
Corrente (A)Diferença Vãos (50, 75) Vão 50 Vão 75
Figura 6.15 Comparação entre os valores máximos das
médias horárias das temperaturas do condutor
monitoradas na LT 138 kV em Acuruí-MG.
00:00 28
Análise Utilizando Imagens Digitais
Velocidades Médias do Vento - Acuruí/MG
0
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6 7 8
Estações Climatológicas
Ve
locid
ad
e d
o
Ve
nto
(m
/s)
Figura 6.16 Média das velocidades média diária dovento na região da Acuruí-MG.
Figura 6.18 Visualização em Elevação das Estações de Vento3 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.
00:00
Análises Finais da Metodologia AmpCLA e
dos Resultados
Análise da Modelagem Matemática AmpCLA Localiza os vãos críticos na linha aérea
Distinção de regiões PPP e PPNP no cálculo da ampacidade
Análise do Fator de Correção
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”.
Análise do Cálculo da Ampacidade via AmpCLA
Os resultados gerados pela aplicação da metodologia AmpCLA, no caso real, apresentam um ganho
determinante na capacidade final de transmissão das linhas aéreas.
Análise dos Resultados de Validação do Modelo da Camada Limite Atmosférica
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.
O uso de simulações da velocidade do vento da CLA mostrou-se ser fundamental para o cálculo de
ampacidade.
Análise dos Dados Adquiridos com o Sistema de Monitoramento de Temperatura
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.
00:00
Neste trabalho, desenvolveu-se e validou-se uma nova
metodologia de cálculo de ampacidade - AmpCLA, mais segura e
realista em relação à metodologia clássica.
A localização dos vãos críticos foi um conceito inovador
desenvolvido para aprimorar o cálculo de ampacidade de linhas
aéreas.
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.
Conclusões
00:00
Contatos
Carlos Alexandre M. Do Nascimento (caxandre@cemig.com.br)
Gerência de Desenvolvimento e Engenharia de Ativos da Distribuição
Cemig D
Prof. João A. de Vasconcelos (joao@cpdee.ufmg.br)
Laboratório de Computação Evolucionária
Departamento de Engenharia Elétrica – UFMG
Av. Pres. Antônio Carlos, 6627 – CEP 31.270-010
Fone: (31) 3409-3426
Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Elétrica - EEUFMG
Laboratório de
Computação
Evolucionária
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