Efeito Corona Em CC

Efeito Corona em CCAT

ALUNOS: CLAYTON ROBERTO ARAÚJO DE MORAES

LEANDER DE OLIVEIRA RÊGO

RODRIGO SILVA MARTINS

Índice

• Introdução

• Relevância

• Estado da Arte

• Aspectos Básicos do Efeito Corona

Aspectos Fenomenológicos do Efeito Corona

Corona Positivo

Corona Negativo

• Modelagem Empírica do Efeito Corona

• Considerações de Projeto

• Diferenças do Efeito Corona entre Corrente Contínua e Corrente Alternada

Introdução

Em diversos países há uma necessidade em comum de se transmitir energiaelétrica em longas distâncias. Dentre as tecnologias existentes, a transmissãode corrente contínua em alta tensão (CCAT) é uma das mais amplamenteempregadas.

Em função da necessidade de transporte de potências cada vez maiores, háo interesse em níveis de tensões mais elevados.

Para a avaliação do comportamento de um sistema de CCAT faz-senecessária uma análise concreta do campo elétrico.

Quando comparado aos sistemas de transmissão em corrente alternada,sistemas CCAT apresentam um comportamento bastante distinto, eportanto, devido aos altos custos destes empreendimentos, surge anecessidade de projetos otimizados, com total conhecimento dosfenômenos de campo elétrico e efeito corona.

Relevância

• Dimensionamento dos condutores;

• Análise de perdas por corona;

• Vantagem competitiva no projeto econômico de linhas de transmissão

CCAT;

• Diferenciar sistemas CCAT de sistemas de corrente alternada quanto ao

campo elétrico e, consequentemente, ao efeito corona.

Estado da Arte

O efeito corona está presente em todas as manifestações físicas queenvolvam alta tensão. Ele acompanha os projetos de engenharia tanto deforma benéfica, quanto de forma indesejável. No campo da transmissão deenergia elétrica, o efeito se refere às perdas elétricas, ruído audível eradiointerferência.

Estudos sobre os limites da alta tensão sempre acompanham o processo doefeito corona como precursor da disrupção do ar.

Os primeiros projetos em CCAT utilizaram as mesmas premissas adotadas emsistemas de corrente alternada, porém logo esta prática provou-seequivocada, através de estudos feitos por DEUTSCH, POPKOV e,posteriormente, por MARUVADA, que utilizou técnicas computacionaisemergentes para aa correta modelagem do campo eletromagnético.

Estado da Arte

Aspectos Básicos do Efeito Corona

O efeito corona é uma descarga parcial que ocorre em um meio gasoso, napresença de um gradiente de campo elétrico intenso, geralmente presenteem condutores com pequeno raio de curvatura, mas no qual não provoca adisrupção completa do gás.

No âmbito de sistemas de transmissão de energia elétrica, o efeito corona é,na maioria das situações, indesejável, e tem como consequências:

Perdas elétricas;

Ruídos audíveis;

Radiointerferência.

Aspectos fenomenológicos do efeito corona

O efeito corona é gerado e sustentado por diversos mecanismos deionização.

Alguns processos serão dominantes, de acordo com a região no espaço e oinstante, mas as ionizações secundárias possuem um efeito importante noprocesso.

O processo mais relevante é a ionização por colisão de partículas, porémeste processo não é auto-inicializável.

A ionização associada ao efeito corona, de grande complexidade, pode serdescrita segundo alguns aspectos, que levam em consideração o choqueentre partículas e, consequentemente, há a liberação de energia sob a formade descargas.

Corona Positivo

Eletrodo com tensão positiva;

Descargas com aspecto mais regular;

Corona Positivo

Exemplo de distorção do campo elétrico devido ao efeito corona positivo

Corona Negativo

Eletrodo com tensão negativa;

Descargas irregulares.

Corona Negativo

Exemplo de distorção do campo elétrico devido ao efeito corona negativo

Modelagem Empírica do Efeito Corona

Um dos parâmetros mais relevantes sobre o fenômeno é o campo elétrico deinicialização do efeito, ocorrendo na superfície do condutor.

O ponto de inicialização depende das características do gás, tais como suacomposição, pressão e umidade.

Em termos macroscópicos, o campo elétrico superficial apresenta variaçãodevido às irregularidades da superfície, o que acrescenta um fator estatísticona determinação do efeito.


Modelo de Peek:

Modelo de Whitehead:

Modelo de Tikhodeyev:

Modelo de Portela e Santiago:


Comparação de modelos de limiar de efeito corona


Efeito da Atmosfera no Campo Elétrico Crítico:

O efeito da pressão e temperatura do ar é expresso pela densidade relativa do ar, δ:

Sendo p a pressão do meio em kPa e θ a temperatura em °C. A densidade relativa do ar, geralmente, possui valores entre 0,9 e 1,1.


Efeito do Fator de Forma m:

É comum utilizar o fator de forma m (menor que 1), de forma a considerar oefeito das imperfeições da superfície do condutor, ou ainda da poluição eenvelhecimento de forma geral. Na prática, esse fator é empregado como umfator de correção das fórmulas citadas anteriormente.

O fator m é tanto menor quanto maior forem as imperfeições do cabo,acarretando em um nível de campo elétrico crítico menor e,consequentemente, na maior facilidade de ocorrência de corona.


Outro fator que influencia no cálculo do campo elétrico é a utilização decondutores simples ou feixe de condutores agrupados.

A utilização de feixe de condutores para tensões elevadas é mais factível, poistorna possível o aumento da seção do condutor, e com isso o campo elétricona superfície do condutor é diminuído, acarretando em uma atenuação doefeito corona.

No caso da utilização de um condutor simples, o campo tem uma distribuiçãoquase que uniforme. Já no caso do feixe de condutores, o campo apresentauma distribuição não-uniforme.

A seguir mostraremos como é calculado o campo elétrico para cada caso.


Campo Elétrico Superficial em uma LT com Condutor Simples:

Onde:

V = tensão do condutor da linha (kV);

r = raio do condutor (cm);

H = altura do condutor (m);

S = vão entre os polos (m);


Campo Elétrico Superficial em uma LT com Feixe de Condutores:

Onde:

V = tensão do condutor da linha (kV);

n = número de subcondutores;

req = raio equivalente do agrupamento (cm);

H = altura do condutor (m);

S = vão entre os polos (m);


Perdas Elétricas por Efeito Corona:

As perdas elétricas por efeito corona, em ambas linhas de transmissão (CA ouCC), ocorrem devido ao movimento de íons, tanto positivos como negativos,criados pelo efeito corona.

Em linhas de CA, os íons estão sujeitos a um movimento oscilatório no campoalternado presente próximo aos condutores e, portanto, são limitados a umaregião muito estreita em torno dos condutores.

Em linhas de CC, os íons que possuem a mesma polaridade que o condutor,afastam-se dele, enquanto que os íons de polaridade oposta, são atraídospara o condutor e são neutralizados em contato com ele.


Perdas Elétricas por Efeito Corona:

Linha de Corrente Contínua Unipolares:

Onde:

P = perdas por corona (kW/km).

Vu = tensão da linha (kV).

n = número de subcondutores do feixe.

rc = raio dos subcondutores (cm).

g = campo elétrico máximo do feixe (kV/cm)

g0 = referência do valor g, dado por g0 = 22.δ kV/cm, onde δ é a densidade relativa do ar.

kc = constante empírica, que varia de acordo com as condições do condutor e do tempo.


Linha de Corrente Contínua Bipolares:

Onde:

P = perdas do bipolo por corona (dB).

d = diâmetro do condutor (cm).

n = número de subcondutores do feixe.

H = altura do condutor (m).

S = espaçamento entre os polos (m).

Valores de Referência

P02,9 dB (tempo bom)11 dB (mau tempo)

g0 25 kV/cm

d0 3,05 cm

n0 3

H0 15 m

S0 15 m


Radiointerferência e Ruído Audível:

• Efeitos gerados devido aos pulsos das descargas de corona.

• Sua contribuição advém somente do polo positivo da linha.

• Opera de forma distinta às linhas CAAT sob mudanças climáticas.


Radiointerferência:

Sendo:

RI = nível de rádio interferência medido em dB;

g = gradiente máximo de agrupamento (kV/cm);

d = diâmetro do condutor (cm);

f = frequência (MHz);

D = distância radial ao polo positivo (m);

q = altitude (m).


g0 25,6 kV/cm

d0 4,62 cm


Ruído Audível:

Sendo:

AN = nível de ruído audível medido em dBA;

g = gradiente máximo de agrupamento (kV/cm);

k e AN0 = constantes empíricas;

d = diâmetro do condutor (cm);

n = número de subcondutores;

R = distância radial ao polo positivo (m);

q = altitude (m).


n > 2 n = 1 , 2

k 25,6 0

AN0 - 100,62 - 93,4

Considerações de Projeto

Projetos de linhas de transmissão de CCAT e CAAT, considerando o ponto devista do desempenho do corona, requer a aplicação dos diferentes métodosde análise apresentados anteriormente.

As perdas por Corona causam um impacto econômico, principalmente, naescolha da seção do condutor a ser utilizado.

Radiointerferência e ruído audível produzem um impacto ambiental navizinhança da linha e devem ser limitados a valores aceitáveis. Tais limitesseguem um critério de projeto baseado em possíveis impactos nos sereshumanos.


Projetos de linhas de transmissão de CCAT e CAAT, considerando o ponto devista do desempenho do corona, requer a aplicação dos diferentes métodosde análise apresentados anteriormente.

• Perdas por Corona

• Radiointerferência

• Ruído Audível

Impacto econômico, principalmente, na

escolha da seção do condutor a ser utilizado.

Impacto ambiental na vizinhança da linha e

devem ser limitados a valores aceitáveis. Tais

limites seguem um critério de projeto baseado

em possíveis impactos nos seres humanos.


Perdas por Corona:

• É o primeiro parâmetro a impactar o projeto de linhas de transmissão.

• Escolha da seção do condutor a ser utilizado no projeto.

• Para LT’s de tensões acima de 230 kV, as perdas por corona deixam deser o principal fator impactante na escolha da seção do condutor. Paratais valores de tensão, a radiointerferência passa a ter maiorinfluência.


Radiointerferência:

• Para tensões acima de 230 kV, as linhas de transmissão se tornameconomicamente factíveis apenas com a utilização de feixe decondutores. Utiliza-se tal configuração, em detrimento de uma LT comum único cabo condutor mais largo, para que se possa atingir valoresaceitáveis de radiointerferência.

• Para tensões na faixa de 700 a 800 kV, a radiointerferência deixa de sero principal fator impactante na escolha do feixe de condutores. Paratais valores de tensão, o ruído audível passa a ter maior influência.


• Em linhas de transmissão de CCAT, a escolha do condutor é baseada nosmesmos moldes do caso de linhas CAAT, ou seja, avaliando o desempenhodo corona.

• O impacto das perdas por corona, radiointerferência e ruído audível nosprojetos de linhas de CCAT é geralmente similar ao caso de linhas CAAT. Aprincipal diferença entre os impactos do corona em linhas CCAT e linhasCAAT, ocorre devido ao fato de a radiointerferência e o ruído audível ocorrerem níveis maiores em linhas CAAT em tempo chuvoso e, em linhas CCAT emtempo bom.

• O critério de projeto, para radiointerferência e ruído audível, é baseadomais nos impactos ambientais que em impactos econômicos. Isso se deve aofato de tais efeitos terem um impacto potencial na vizinhança da linha detransmissão, podendo afetar algumas atividades humanas cotidianas.

Diferenças do efeito corona entre corrente contínua e corrente alternada

No regime senoidal dos sistemas CA, o campo alternado não permite odesprendimento de grande parte dos íons, ficando estes próximos aocondutor. Já em sistemas CC, os íons se espalham pelo campo(essencialmente) unidirecional.

O efeito, em cada fase, em CA é aproximadamente uniforme, havendovariação somente pela diferença de intensidade do campo elétrico em cadacabo. Em CC, cada polo possui efeito completamente distinto, não somentedependendo da intensidade do campo, mas devido à diferença de partículasenvolvidas.

Na presença de campo elétrico contínuo, ocorre polarização de partículasem suspensão no ar, as quais se acumulam na superfície dos condutores,alterando o estado da superfície. Este fenômeno é determinante para umaestimativa do fator de superfície de condutores ao longo da vida útil dalinha, sendo bastante distinta entre linhas CA e CC, afetando desta formarotinas de inspeção e manutenção.

Diferenças do efeito corona entre corrente contínua e corrente alternada

Estilização de ocorrência do efeito corona em CA e em CC.

Bibliografia

• MARUVADA, P. Sarma; “Corona Performance of High-Voltage TransmissionLines”, Canadá.

• Brochura 388 (Cigré); “Impacts of HVDC Lines on the Economics of HVDC Projects”, Agosto/2009.

• ARRUDA, C. K. C.; “Modelagem de efeito coroa em linhas de transmissão em corrente contínua”; Universidade Federal do Rio de Janeiro; 2012.

• EPRI – Transmission Line Reference Book HVDC to ± 600 kV.

• Notas de Aula.

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