Transmissão de Corrente Contínua

Capítulo 1 - Estado da Arte

Alunos:Erick AlvesGabrielle

NigromonteJoão

Gilberto Ribeiro

José Pastura

Marcelo Simões

Paulo Victor

Pedro Ribeiro

Profº: PDSc. José Eduardo Telles Villas

HistóricoPrimórdios:

Descoberta básica das Leis em Corrente Contínua.

Primeiras aplicações práticas em corrente contínua:

• Telégrafo suprido por Baterias e usando Circuitos de Terra;

• Iluminação pública.

Primeiro Sistema CCAT instalado no mundo para fins comerciais:Interligação da Ilha de Gotland com o continente sueco, à 96 km. Sistema CCAT: 20MW, 200A, 100KV; Entrou em operação comercial em 1954.

Lançamento do Cabo submarino da 1ª instalação CCAT no mundo ligando a Suécia continental à Ilha de Gotland.

Guerra das CorrentesNa implementação inicial dos sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica, foram apresentadas opções em corrente alternada e corrente contínua.

Durante os primeiros anos de fornecimento de eletricidade, a corrente continua foi determinada como padrão nos EUA e Edison não estava disposto a perder os rendimentos de sua patente. A corrente contínua funciona bem com lâmpadas incandescentes, responsáveis pela maior parte do consumo diário de energia, e com motores.A corrente alternada se favorecia na disputa por questões científicas e econômicas. Então, Edson e os defensores da CCAT demonstravam os perigos que a CAAT oferecia numa tentativa de desqualifica-la. Porém a disputa foi finalmente decidida em 1890 quando a Westinghouse Company ganhou o processo licitatório para escolha do sistema de geração e distribuição de Niagara Falls, que alimentaria a cidade de Buffalo a 40 km de distância.

Razões que limitaram a Transmissão em Corrente Contínua

A f.e.m gerada em uma máquina em corrente contínua é função de sua velocidade e da quantidade de fluxo. De forma que as tensões das máquinas evoluíram até o limite de 23 kV, apresentando para valores de tensões superiores a este limite restrições de ordem técnica-econômica. O sistema Thury foi idealizado no final do sec. XIX aumentando a f.e.m. equivalente do sistema, porém as limitações técnicas da época tornaram essa solução cara e não confiável. Além disso, a corrente contínua não podia ser facilmente alterada para uma tensão menor ou maior, isto significava que linhas elétricas tinham de ser instaladas separadamente, a fim de prover energia para aparelhos que funcionavam a diferentes tensões. Isso levou a um aumento do número de cabos para instalação e sustentação, desperdiçando dinheiro e introduzindo riscos desnecessários.

Dessa forma, a corrente alternada começou a se mostrar amplamente mais viável técnica e economicamente.

Ascendência da Transmissão em Corrente Alternada

A vantagem da corrente alternada para a distribuição de energia é devido a facilidade de variação da tensão com um transformador. Permitindo a condução por longas distâncias em altas tensões e a baixas correntes, utilizando condutores mais finos (portanto, com maior eficiência de transmissão), e depois era convenientemente diminuída para baixas tensões, para a utilização em residências e fábricas.

Quando Tesla introduziu o sistema de geradores, transformadores, motores, fios e luzes a corrente alternada, no final de 1887, tornou-se claro que esse tipo de corrente era o futuro para a distribuição de energia elétrica, embora o sistema contínuo fosse utilizado nos centros das áreas metropolitanas ainda por algumas décadas.

Problemas Atuais da Tecnologia de Corrente AlternadaCom o crescimento dos níveis de tensão, problemas relacionados a fenômenos corona passam a se destacar, assim como os níveis básicos de isolamento a manobra demandados pelos equipamentos, face as magnitudes dos níveis de sobretensões dos surtos de manobra resultantes para esses níveis de tensão e os custos elevados associados.

Para longas distâncias a CAAT apresenta um quantitativo significativo de perdas, além da elevada quantidade de cabos necessários se comparado ao sistema CCAT.

Aplicações Potenciais de Corrente Contínua• Sistemas de bateria de alta escala;

• Transmissão em longas distâncias;

• Veículos de propulsão elétrica com alimentação interna de energia (Veículos elétricos ou híbridos);

• Transmissão Submarina a Longas Distâncias;

• Instalações isoladas, que utilizam energia eólica ou solar;

• Subtransmissão em Cabos em Áreas Metropolitanas;

• Ligação Assíncrona entre 2 Sistemas;

• Reforço de Interligação entre 2 Sistemas.

Comparação Técnica entre Sistemas CCAT e CAATUma comparação técnica entre as duas alternativas de transmissão permitem listar algumas vantagens com relação a corrente contínua:

• Não possui restrição quanto ao comprimento da linha;

• Maior Potência por Condutor;

• Construção mais Simples da LT, menor quantidade de cabos;

• Não possui Corrente Capacitiva;

• Não possui Efeito Pelicular;

• A Terra pode ser usada como Retorno;

• Menor Corona e Rádio-Interferência especialmente em Tempo Adverso;

• Menos perdas na linha que a CAAT;• Economicamente favorável para longas distâncias;• Ruído audível menor;• Menos impacto visual.

Vantagens Econômicas

Principais Desvantagens

As principais desvantagens da transmissão em corrente contínua estão ligadas as unidades conversoras. Podendo citar:

• Alto custo dos Equipamentos Conversores (Tiristores de Alta potência);

• Necessidade de Suprimento de Potência Reativa localmente face os Conversores representarem uma Carga Indutiva vista da Fonte;

• Conversores geram Harmônicos;

• Os sistemas carecem de disjuntores específicos, devido a dificuldade de interromper alta corrente;

• O campo elétrico é polarizado unidirecionalmente, ao contrário da corrente alternada, originando uma corrente iônica e o surgimento de cargas espaciais;

• Problemas de Interferência em Sistemas de Comunicação em Circuitos Vizinhos;

• Em caso de operação monopolar da linha, o aterramento injetará altas correntes no solo, podendo culminar em um secamento e um aumento irreversível da resistividade, inutilizando todo o sistema.

Transmissão em CCAT

Sistemas de Transmissão em CCAT aéreos podem ser competitivos ou atraentes para distâncias de transmissão superiores a 600 km. Apresenta-se a seguir a capacidade de Transmissão por Bipolo por Tensão de Transmissão.

Custo das Estações Conversoras

O Quadro ao lado apresenta, em termos percentuais, o custo de uma Estação Conversora, com relação aos principais equipamentos que a compõem.A partir dele é possível compreender o custo elevado para implementação da transmissão em corrente continua, tendo em vista que os componentes mais caros representam as maiores porcentagens.

Custo de LT’S de CCAT

0

10

20

Custo de seus principais componentes em termos percentuais(%):

O custo do eletrodo de terra em ambos os terminais das estações conversoras representa cerca de 1,5% do custo total da L.T.

Fator determinante para o uso da transmissão em corrente contínua em alta tensão é o menor custo das linhas aéreas, ao contrário da corrente alternada, que possui três fases, cada uma necessitando de um cabo específico, a contínua requer apenas dois cabos, uma para cada pólo, em longas distâncias, esse aspecto faz muita diferença nos gastos com cabos de transmissão, a despesa com torres também é menor, pois elas são mais leves, já que sustentam menos cabos, porém, como a geração e o consumo de energia é feito em corrente alternada, as linhas de CCAT necessitam de equipamentos terminais de alto custo.

Custo de LT’S de CCAT

Custo de LT’S de CCATCusto de uma LT de 1500km, levando em consideração perdas por corona e efeito joule.Nota-se que apenas para a configuração de 300kV; 700MW, o custo da linha foi superior em termos percentuais ao custo do conversor.

Fonte: Jardini e Nolasco (2008).

Comparativo das estruturas e faixas de servidão para CCAT X CAAT, para uma mesma potência

Sistema CCAT com dois condutores metálicos

Sistema CAAT com circuito duplo

Custos comparativos para ambas as Tecnologias: CAAT X CCAT

Nota-se que a partir de uma certa distância a linha em CC tem custo menor em comparação a linha AC

Custos comparativos: Ponto Crítico:

Ponto Crítico: Distância que determina qual sistema de transmissão será mais interessante do ponto de vista econômico.Deve ser determinado através de estudos para cada projeto. No caso mostrado situa-se em 750km.

Exemplo de Aplicação: maior LT CCAT do mundo - 2385km em ± 600kV

Comparação menores Custos CAAT x CCAT

Efeito da Variação de Custos - Ponto Crítico

Ultra Alta Tensão (UAT)Primeira rede HVDC (800 kV), de Estreito, em Minas Gerais, a

Xingu, no Pará, com extensão de 2100 Km.O HVDC de 800 kV é ainda mais eficiente do que os em operação no Brasil (600 kV).

A tecnologia HVDC é ainda mais vantajosa, apesar do custo das estações conversoras ser maior, como mostrado no gráfico de custos ao lado, pois é compensado por menos perdas e estrutura da linha menor.

Comparação entre Estruturas das Torres

Estrutura das torres bem menor, assim como a faixa de servidão, impactando diretamente no custo da linha, além de promover um impacto ambiental bem menor.

Principais Componentes da Subestação

• Válvulas• Transformadores conversores • Reator de alisamento • Filtros do lado AC e DC• Linhas de transmissão

o Porcentual de ocupação da área física por componente:

Visão Geral dos Componentes

• Válvulas tiristorizadas: As válvulas tiristorizadas podem ser construídas de modo diferente, dependendo da aplicação e do modo de produção. Entretanto o arranjo mais comum de válvulas tiristorizadas é o de 12 pulsos.

• Válvulas VSC: O conversor VSC consiste em conversores de dois ou mais níveis, reator de fase e filtros CA.

• Transformadores: Os transformadores conversores adaptam o nível de tensão CA para tensãoCC. Geralmente eles são monofásicos de três enrolamentos, mas podem ter arranjos diferentes dependendo do modo de transporte e quantidade de energia solicitada.

• Filtro CA e banco de capacitores: No lado CA de um conversor HVDC de 12 pulsos são gerados harmônicos de corrente e são instalados filtros para limitar a quantidade de harmônicos formados na rede. No processo de conversão o conversor consome potência reativa, que é compensado em partes pelos filtros e o restante pelos bancos de capacitores conectados à rede.

• Filtro CC: O conversor HVDC cria harmônicos em todos os modelos operacionais. Tais harmônicos podem criar distúrbios no sistema de telecomunicação, que podem ser reduzidos pela inserção de filtros CC, uma vez que são projetados com características especiais para esta finalidade.

Diagrama Unifilar

Arranjo Físico

Implantação CCAT

• Ante projeto: Visualização de dimensões e características gerais do projeto arquitetônico

• Projeto: Planejamento e especificação técnica dos componentes da subestação.

• Ordens de compra: Aquisição de todos os equipamentos da SE.

• Fundações /Construção: Adequação do espaço físico

• Instalação dos equipamentos: Cablagem

• Comissionamento: Entrega do projeto e delegação de poderes.

• A melhoria mais bem sucedida no desenvolvimento de válvula de arco de mercúrio para aplicações de alta tensão ocorreu na Suécia em 1939.

• Foi inventado um sistema de eletrodos de classificação com uma construção de válvula monofásica, que foi a base para tensões de suporte inverso de pico maiores (ou seja, tensão máxima que a válvula pode bloquear). Isso fez com que a válvula funcionasse como um retificador.

• Os esforços de arco de mercúrio resultaram no primeiro vínculo HVDC comercial entre a ilha de Gotland e o continente sueco, que foi comissionado em 1954. Poderia transferir 20 MW a 100 kV em um raio de 60 milhas ( 98 km) cabo submarino construído pela ASEA.

Válvulas a Mercúrio

Válvula de arco de mercúrio em Ygne, Gotland

Subestação HVDC de Ygne, Gotland

Primeiro HVDC comercialIlha de Gotland – Suécia

• Inicialmente, sistemas HVDC usavam válvulas de arco de mercúrio.

Problema:• Desenvolver válvulas confiáveis e

econômicas que convertessem CA de alta tensão em CC de alta tensão e vice-versa Valve Hall – Siemens – Wellington, Nova Zelândia

Válvulas a Mercúrio

Solução• Em 1970, dispositivos de estado

sólido como tiristores foram usados• Tiristores são conectados em série

para formar uma válvula de tiristor• Cada conversor consiste em 6 ou 12

válvulas de tiristor• Desde 1990, conversores

completamente controláveis começaram a ser usados para HVDC. Esses conversores usam transistores IGBT no lugar de tiristores e podem prover energia para um sistema CA desenergizado. Valve Hall, marca Alstom com IGBT’s, Reino Unido

Conversores a Estado Sólido

Válvulas a Tiristores x

Válvulas a Mercúrio

Vantagens de Válvulas a Tiristores:

• A falha de um tiristor não implica na saída de operação do equipamento

• Permite expansão e versatilidade na operação

Vantagens Conversores a Mercúrio:

• Possibilidade de Condução no sentido inverso das válvulas

Índices de Confiabilidade de Estações a Vapor de Mercúrio/ Estado Sólido

Como funciona um Retificador por Válvula de Mercúrio

• As válvulas de mercúrio são também chamadas de Tiratron.

• O princípio de funcionamento do retificador de vapor de mercúrio baseia-se no efeito de válvula do arco elétrico, a corrente de eletrons pode estabelecer-se através de um arco, de um cátodo incandescente para um ánodo frio, mas não pode ocorrer em sentindo inverso.

• Para o seu funcionamento, é necessário provocar o seu escorvamento, o que se faz por meio de um pequeno arco que salta entre o cátodo e o eletrodo de inflamação. Surge assim vapor de mercúrio no interior da ampola que se distribui para as regiões de menor pressão até se condensar nas paredes e escorrer para o catodo.

• A corrente elétrica circula através do vapor de mercúrio por condução eletrônica.

• Quando o anodo está a um potencial elétrico menor que o do catodo, a condução não ocorre, por este motivo se diz que a condução da corrente na válvula é unidirecional.Válvula de Mercúrio

Tiratron

• O tiratron possui um gás no seu interior ionizável que podem ser vapor de mercúrio, xenônio ou neon.

Tiratron gigante de hidrogênio,

da General Eletric usado em radares

ao lado de uma tiratron miniatura

usada em relés e jukeboxes.

Video meramente ilustrativo demonstrandoO funcionamento de uma válvula de mercúrio

Tecnologia dos Retificadores a Vapor de Mercúrio• Um retificador a vapor de mercúrio em ampola de vidro é constituido por uma ampola de vidro(pirex),

onde é feito o vácuo, estando colocada no seu interior uma certa quantidade de mercúrio em contato com um eletrodo e formando o catodo (C). A ampola tem um domo grande, que irá servir para condensar o vapor de mercúrio. A ampole possui vário braços, onde estão colocados os eletrodos do anodo (A), são relativamente curtos, e tem um número variável com a ordem do sistema polifásico a ser retificado. O eletrodo do anodo é em metal: platina, molibdénio ou tungsténio.

Retificador a vapor de mercúrio

Utilização das Válvulas de Mercúrio

• Seu uso foi limitado para alta tensão com o advento dos retificadores de estado sólido;

• As válvulas de mercúrio eram comumente usadas até a década de 60, para a transformação da corrente alternada em corrente contínua para uso industrial, as aplicações eram inúmeras, como exemplo tempos, suprimento de energia para carros, trilhos elétricos, dentre outros;

• Um dos ultimos grandes usos de válvulas de mercúrio foi na transmissão de alta tensão de corrente contínua, onde eram usadas em muitos projetos até os anos 70;

Válvula de mercúrio de 150Kv, 1800A na estação de conversão de Manitoba

Tanque de metal de alta tensão de um retificador a válvula de mercúrio

50Kv, 30A

Tanque de metal de alta tensão de um retificador a válvula de mercúrio

560Kv, 1330A

Índices de Confiabilidade de Estações a Vapor de Mercúrio/Estado Sólido

Índices de Confiabilidade de Estações a Vapor de Mercúrio / Estado Sólido

Aplicações Potenciais da Tecnologia de CCAT no BrasilO Brasil possui em operação/construção tecnologia de CCAT , temos como exemplos:

• Fornecimento de energia para plataformas offshore;

• Elo de Itaipu nas fronteiras com o Uruguai (Rivera), Paraguai (Acaray) e com a Argentina (Garabi): Duas linhas de ± 600 kV CCAT.

• Elo do Madeira, o mais longo do mundo: ± 600 kV CCAT

• Sistema de Transmissão em CCAT para reforço à Interligação Norte – Sudeste associado ao Escoamento da UHE Belo Monte: ±800 kV CCAT

Aplicações Potenciais da Tecnologia de CCAT no BrasilItaipu – Elo CC

• Primeiro Sistema CCAT instalado no Brasil: ITAIPU BINACIONAL

• Interligação Foz do Iguaçu – Subestação Ibiúna:

• Entrou em operação em 1983.

Dois bipolos:

• Tensão nominal DC: ±600 kV (cada bipolo)

• Corrente nominal DC: 2610 A (cada bipolo)

• Potência: 3132 GW (cada bipolo)

• Potência Total transmitida em CC: 6264 GW (6300 GW nominal)

• Distância Foz do Iguaçu – Ibiúna:

Bipolo 1: 792 km

Bipolo 2: 820 km

Aplicações Potenciais da Tecnologia de CCAT no BrasilConfiguração de um bipolo:

Aplicações Potenciais da Tecnologia de CCAT no BrasilEletrodo de terra (Ibiuna):

Aplicações Potenciais da Tecnologia de CCAT no Brasil

Elo do Madeira

• A LT CCAT do Madeira foi a maior licitada pela Aneel: aproximadamente 2.400 quilômetros (km) de extensão, ligando Porto Velho a Araraquara (São Paulo);

• O investimento para o leilão das Linhas do Complexo do Rio Madeira é o maior já previsto em leilões da Aneel: R$ 7,21 bilhões;

• São dois bipolos de corrente contínua cada um com 3150 MW ±600 kV;

• Cerca de 50% da extensão total das Linhas (1.200 km) estão totalmente inseridos na área da floresta Amazônica;

Aplicações Potenciais da Tecnologia de CCAT no Brasil

Elo do Madeira

Aplicações Potenciais da Tecnologia de CCAT no BrasilLinha CCAT – Belo Monte 800kV

Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico Os seguintes temas tem sido objeto de pesquisa e desenvolvimento (P & D) tecnológico visando um desempenho mais otimizado e confiável de Sistemas em CCAT;

• Habilitar conexões de carga remota, como plataformas offshore;

• Compactação dos Terminais Conversores com utilização de isolamento a SF6;

• Superação de limites de transmissão em novas instalações por cabo terrestre e marítimo e conversão de AC para DC em linhas aéreas existentes;

• Integração das energias renováveis remotas, como a hidrelétrica, eólica e solar, no sistema energético;

• Aumento da Capacidade das Válvulas das Conversoras

• Melhoria da Confiabilidade dos Sistemas de Comunicação, Proteção, Controle e Medição

• Melhoria do Desempenho e Confiabilidade dos Filtros de Harmônicos e Disjuntores de CCAT.

• Implantação de Esquemas de Transmissão com Múltiplos Terminais

Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico

• Utilização de Pára-Raios de Óxido de Zinco (ZnO)

• Utilização de Sistemas de Compensação Estática

• Efeito dos Fenômenos Corona e Campo Elétrico na Faixa de ± 600 kV a ±x1.000 kV

• Desenvolvimento do Foto-Tiristor

 (tiristor que é disparado pela luz)

Referências

1. Sistemas de Transmissão em Corrente Contínua em Alta Tensão (CCAT) – Professor PDSc. José Eduardo Telles Villas

2. ETT, G.; SAIKI, G.Y.; JARDINI J.A.; TANNURI, J.G.; REIS, L.B.; MASUDA, M.; SANTOS, M.L.; ARNEZ, R.L.V.; CASOLARI, R.P.; FRONTIN, S.O.; SOUSA, T. Alternativas Não Convencionais para Transmissão de Energia Elétrica – Estado da Arte. Ed. FDTE, 1ª edição, Brasília, 2011.

3. http://patrocinados.estadao.com.br/siemens/infraestrutura/transmitindo-grandes-quantidades-de-energia-por-longas-distancias/

4. http://www04.abb.com/global/seitp/seitp202.nsf/0/5392089edc1b3440c12572250047fd78/$file/800+kV+DC+technology.pdf

5. https://www.energy.siemens.com/br/pt/transmissao-de-energia/hvdc/

6. https://w3.siemens.com.br/home/br/pt/cc/imprensa/pages/siemens-apresenta-nova-tecnologia-para-estacoes-conversoras.aspx7. www.furnas.com.br