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METODOLOGIA PARA IDENTIFICAÇÃO DE VÃOS CRÍTICOS EM LINHAS AÉREAS

SAULO F. RODRIGUES, LUCAS R. L. MARTINS, PABLO S. BERZOINI, JOÃO A. VASCONCELOS

Laboratório de Computação Evolucionária, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Minas Gerais

Av. Antônio Carlos nº6627, Pampulha - 31270-901 - Belo Horizonte, Minas Gerais E-mails: [email protected], [email protected], [email protected],

[email protected]

CARLOS A. NASCIMENTO

Companhia Energia Elétrica de Minas Gerais - S.A. Av. Barbacena, nº1200, Santo Agostinho - 30190-131 - Belo Horizonte, Minas Gerais

E-mails: [email protected]

Abstract The methodology for identifying critical spans aims to provide to the concessionaires a simple and efficient mean to maximize the exploration of the transmission lines, aiding the operators of the overhead transmission lines in his task. It allows the identification of critical spans utilizing the acquisition of real-time information and simulations of the atmospheric boundary layer saved in a database. A software was developed to implement this methodology showing that the real-time monitoring of power lines is possible nowadays.

Keywords Transmission Lines, Monitoring Lines, Critical Spans, Ampacity.

Resumo A metodologia para a identificação de vãos críticos visa proporcionar às concessionárias um meio simples e eficiente para maximizar a exploração das linhas de transmissão, auxiliando os operadores das linhas de transmissão em sua tarefa. Ela permite a identificação de vãos críticos utilizando-se da aquisição de informações em tempo real e de simulações da camada limite atmosférica salvas em uma base de dados. Um software foi desenvolvido para implementar esta metodologia, mostrando que o monitoramento em tempo real de linhas de energia é possível hoje em dia.

Palavras-chave Linhas de Transmissão, Monitoramento de Linhas, Vãos Críticos, Ampacidade.

1 Introdução

A demanda por energia elétrica é intimamente li-gada ao crescimento econômico e social do país. Para suprir essa demanda é necessário aumentar a produção e otimizar os meios de transmissão de energia, isso pode ser realizado maximizando a exploração dos ati-vos físicos de transmissão das concessionárias.

Novas linhas de transmissão tem custo elevado e por consequência geram um grande impacto ambien-tal. Outra solução é o recondutoramento ou aumento de tração dos cabos e a consequente redução de suas flechas [4]. Em muitos casos isso pode ser evitado com a máxima exploração da capacidade da linha de transmissão através de monitoramento em tempo real de seus vãos críticos, os quais determinam a ampaci-dade das linhas [2].

Para realizar o monitoramento dos vãos críticos, primeiro é necessário identificá-los. A identificação destes vãos é possível de ser realizada através do uso de sensores para aquisição de dados (corrente, tempe-ratura do cabo condutor e temperatura ambiente) em tempo real, base de dados de simulação da camada li-mite atmosférica da região que contém a LT, e sof-tware que implementa o cálculo da velocidade efetiva que incide sobre a linha nos pontos onde se encontram instalados os sensores. Com esta infraestrutura é pos-sível computar os períodos de tempo em que cada vão

é crítico. Após a análise por um período suficiente-mente longo, pode-se identificar o conjunto de vãos que mais vezes operam como vãos críticos.

Este artigo apresenta esta metodologia e o sof-tware desenvolvido para incorporá-la.

2 Desenvolvimento da Pesquisa

2.1 Capacidade de Transmissão de Energia

A metodologia torna possível a maximização da exploração da capacidade de transmissão em linhas aéreas ao identificar e monitorar os vãos, que segundo alguns critérios são considerados críticos. São esses que limitam e determinam a ampacidade das linhas e, portanto, precisam ser identificados com confiabili-dade e segurança.

A ampacidade é um termo técnico que designa o máximo valor da corrente elétrica que pode trafegar na linha aérea. Este valor é limitado pelo aquecimento do condutor que não pode ultrapassar certa tempera-tura limite e pela distância cabo-solo, por questões de segurança.

A ampacidade em regime permanente, para um determinado cabo condutor e sob condições climato-lógicas conhecidas, pode ser determinada pela equa-

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

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ção (1), se são desprezados os termos de menor im-portância como os efeitos corona, ferromagnéticos e de vaporização.

Pj +Ps = Pr + Pc (1)

Em (1), todos os termos são dados em unidades de po-tência por unidade de comprimento. Assim, Pj, Ps, Pr e Pc são respectivamente a potência ganha por efeito Joule, a potência ganha por radiação solar, a potência dissipada por irradiação e a potência dissipada por convecção. Ao analisar a equação (1) percebe-se que ela depende das condições climatológicas vigentes no local da linha aérea, isto é, da temperatura ambiente, da radiação solar e sobretudo da velocidade do vento. A ampacidade das linhas normalmente é calcu-lada utilizando-se da metodologia em regime perma-nente considerando-se valores constantes para as vari-áveis climáticas como velocidade do vento, radiação solar e temperatura ambiente. Tais valores raramente condizem com a real situação da linha, pois as condi-ções climatológicas variam bastante não só com o tempo, mas também ao longo da linha. Logo, haverá situações em que ou a linha opera em condições abaixo de sua capacidade ou em outras, mais graves, em condições acima da sua capacidade, o que pode vi-olar as condições de segurança, isto é, violar as distân-cias mínimas prescritas em norma. Em [1] é definida a metodologia para o cálculo de ampacidade que utiliza simulações numéricas da ca-mada limite atmosféricas e dados obtidos de sensores na linha aérea com o intuito de se determinar as con-dições climatológicas em qualquer intervalo de tempo ao longo da linha. Através desses cálculos, pode-se identificar a criticidade dos vãos definida na secção 2.2.

2.2 Criticidade dos vãos

A identificação dos vãos críticos na metodologia de-senvolvida no projeto de pesquisa é realizada após a identificação de dois conjuntos de vãos: i) eletrica-mente críticos e ii) climatologicamente críticos.

Vãos Eletricamente Críticos Podem ser determinados conhecendo-se os dados

de projeto da linha (perfil vertical, características do cabo condutor), corrente elétrica e condições climato-lógicas. Os vãos com as menores distâncias elétricas mínimas irão compor o conjunto de vãos eletrica-mente críticos. Como distância elétrica mínima do vão entende-se como sendo a menor distância entre o solo (ou objeto aterrado) e cabo condutor.

A determinação das distâncias elétricas deve ser calculada para cada período de tempo (por exemplo 10 (dez) minutos), pois o carregamento da linha e sobre-tudo os ventos incidentes no cabo variam constante-mente. O conjunto de dados gerados ao longo de um período maior (mês, bimestre, trimestre ou semestre) irá permitir dizer quais vãos são os que mais vezes se tornaram eletricamente críticos.

A Figura 1 mostra os vãos eletricamente críticos, para uma linha aérea de 138 kV da CEMIG D, em que há trânsito de pedestres. A linha na cor laranja, na ho-rizontal, é uma linha de altura de referência, para de-finição dos vãos eletricamente críticos. Esta altura de referência é considerada como sendo a altura mínima especificada pela NBR 5422, para vãos em que há ape-nas trânsito de pedestres.

Figura 1 - Vãos eletricamente críticos.

Vãos Climatologicamente Críticos São os vãos que possuem menor resfriamento do

cabo pela velocidade do vento incidente. A determi-nação deste conjunto ao longo de toda a linha natural-mente requer que a velocidade do vento seja estimada em todo vão. A velocidade do vento é a principal res-ponsável pelo resfriamento do cabo.

A Figura 2 apresenta a velocidade do vento esti-mada para a linha aérea considerada. Estes dados de-vem ser obtidos para o mesmo período de tempo e sob as mesmas condições climatológicas da Figura 1. A linha vermelha na horizontal é uma linha de referência para definição dos vãos climatologicamente críticos.

Figura 2 - Vãos climatologicamente críticos.

Vãos Críticos Aplicando o critério de não-dominância no con-

junto de vãos obtido pela interseção entre os vãos ele-tricamente e climatologicamente críticos é possível definir os vãos críticos. A Figura 3 mostra grafica-mente os vãos críticos obtidos com o procedimento


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descrito, os quais estão preenchidos na cor vermelha. Estes vãos são os que possuem menores altura cabo-solo e menor média de velocidade do vento.

Figura 3 – Vãos críticos.

2.3 Estimativas de Velocidades do Vento nos Vãos de uma Linha Aérea

A metodologia empregada utiliza-se de uma base de dados de estimativas de velocidades do vento gera-das através de simulações da camada limite [1]. A des-crição desse processo é facilitada considerando o caso real a seguir.

Linha de Distribuição para o Estudo de Caso A linha de distribuição, utilizada para o estudo de

caso, pertencente a CEMIG Distribuição S.A., situa-se entre as cidades de Belo Horizonte MG e Nova Lima – subestações Barreiro1-NovaLima1. A figura 4 mostra simbolicamente seu perfil de localização. Esta linha opera a 138 kV.

Figura 4 - Região onde se encontra a linha de distribuição Barreiro-Nova Lima.

Simulações da Camada Limite As simulações da Camada Limite Atmosférica

(CLA) foram realizadas utilizando-se do software CFX/ANSYS. A região analisada é construída a partir da superfície digitalizada da região [3]. O domínio considerado possui um volume 30x10x3 km, como visto na Figura 5.

Figura 5 - Região modelada no CFX/ANSYS para as simulações das velocidades do vento.

Formação da Base de Dados A partir das simulações da camada limite, criou-

se uma base de dados para um conjunto de diferentes condições de fronteira. Cada condição de fronteira é constituída por um par de amplitude e direção do vento incidindo na(s) superfície(s) limítrofe do domí-nio contendo a região onde se encontra a linha de dis-tribuição. Foram consideradas velocidades variando de 0,3 a 5,2 m/s com ângulo de incidência variando de 0 a 360º. Estes valores foram escolhidos após análise dos dados históricos de estações climatológicas da re-gião.

2.4 Dispositivos de Sensoriamento Instalados na linha

Variáveis medidas na linha de transmissão e a se-rem utilizadas na identificação dos vãos críticos são obtidas por dispositivos do tipo “Power Donut 2”, em que este foi projetado para aquisição e envio dos da-dos, pela internet, para o monitoramento e alarme de alta tensão. Ele é constituído de quatro sistemas: ener-gia, computacional, comunicação e sensorial. São in-tegradas duas sondas de temperatura que são respon-sáveis por captarem a temperatura do condutor. En-viam-se os dados coletados para um dispositivo recep-tor através da tecnologia GPRS. O processo de insta-lação do Sensor na linha não necessita o desligamento da mesma. Após instalado o Donut está apto ao envio dos dados monitorados para o servidor no laboratório onde se armazenam as informações em uma base de dados.

Aquisição de Dados em Tempo Real Os dispositivos deveriam ser instalados em locais

onde, esperam-se menores médias de velocidade do vento, ou seja, vãos climatologicamente críticos. En-tretanto, os pontos de instalação ao longo da linha de transmissão Barreiro 1 – Nova Lima 1 foram escolhi-dos de comum acordo entre CEMIG e UFMG, obser-vando os seguintes pontos: (i) facilidade de acesso à linha de transmissão; (ii) qualidade do sinal de cober-tura obtida pelo chip GSM; (iii) estudo estatístico dos ventos na região com base em análise de dados cedi-dos por estações climatológicas do INMET (próximas à linhas de transmissão) e INFRAERO; e (iv) simula-ções da camada limite da atmosfera.


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Dentre os dados coletados são de vital importância a corrente elétrica que trafega no cabo condutor, a temperatura do condutor e a temperatura ambiente. A temperatura ambiente não é amostrada pelo sensor. Por outro lado, o sensor possui duas sondas para cap-tação da temperatura. Utilizou-se uma delas, em con-tato firme com o condutor para captação da tempera-tura do cabo, e afastou se a outra no máximo possível para captar a temperatura ambiente próxima ao cabo. A Figura 6 e Figura 7 mostram os testes realizados em laboratório para checar os desvios nas medidas de am-bas as temperaturas do cabo e ambiente em relação às medidas por termopar.

Figura 6 – Comparação das temperaturas do condutor medidas pelo sensor e pela sonda (Termopar).

Figura 7 - Comparação das temperaturas ambientes e temperaturas do condutor medidas pelos sensores e pelas sondas.

Observou-se que a máxima discrepância ocorreu entre as temperaturas ambientes, medidas com o sensor e com o termopar. Isto ocorre porque a sonda do sensor fica próxima ao cabo o que de certa forma altera a tem-peratura ambiente devido à irradiação da temperatura do próprio cabo.

2.3 Metodologia

A partir da base de dados de velocidades estima-das e das variáveis adquiridas por dispositivos de sen-soriamento, podem-se definir os vãos críticos pelos métodos descritos a seguir.

Velocidade do Vento Efetiva

A equação de equilíbrio térmico (1) tem funda-mental importância para a metodologia, pois, permite que variáveis como a temperatura efetiva no cabo, ou a velocidade efetiva do vento sejam estimadas por um cálculo inverso da ampacidade. Este cálculo é feito utilizando-se dos valores (corrente elétrica, tempera-turas do cabo e ambiente) medidos pelos dispositivos Power Donuts 2, e em seguida faz-se uso da equação (1) e estima-se o valor da velocidade que efetivamente deveria incidir no cabo para garantir o equilíbrio tér-mico.

Escolha da Condição de Contorno Tendo-se então as velocidades efetivas do vento,

calculadas para todos os pontos onde os sensores fo-ram instalados na linha, e as simulações da camada li-mite atmosférica na base de dados, é possível encon-trar uma condição de fronteira da base de dados, cujos valores de velocidade numérica são próximos das ve-locidades efetivas.

A condição de contorno é definida com base na equação de erro quadrático médio (2):

E = Ʃ(Vc–Ve)²/n (2)

onde: E – Erro quadrático médio; Vc – Velocidade do vento numérica, calculada na posição de um determinado sensor, e armaze-nada na base de dados; Ve – Velocidade do vento efetiva calculada na po-sição de cada sensor Power Donut; N – Número de sensores instalados na linha.

Temperatura e Velocidade do Vento Estimados Após a escolha da condição de contorno, obtêm-

se as velocidades de vento estimadas para todo ponto de interesse ao longo da linha aérea.

Além da velocidade do vento, também é impor-tante conhecer a temperatura do condutor em todos os vãos. Por isso, é necessário conhecer a temperatura ambiente e a corrente elétrica nos mesmos, conside-rando que não há sensor instalado. Como essas duas variáveis não variam muito ao longo da linha, pode-se assumir que, nos vãos onde não há sensor, tais variá-veis são iguais às médias aritméticas das medições re-alizadas.

A partir de tais valores é possível estimar a tem-peratura do condutor em cada um dos vãos da linha de transmissão sob estudo da mesma forma que foi esti-mado a velocidade do vento.

Identificação dos Vãos Críticos Estimada a temperatura do cabo presente em to-

dos os vãos, encontra-se a dilatação sofrida por esses e, por consequência, a altura cabo-solo fundamental para definir os vãos eletricamente críticos. Para isso, é necessária a aproximação do cabo usando a equação da catenária [5] e os pontos de relevo do perfil vertical geográfico da LT.


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No cálculo da catenária são considerados dados do cabo e dados de projeto, tais como, tensão mecâ-nica horizontal para a flecha em uma determinada temperatura e fluência que este cabo pode sofrer com o tempo (Creep). Através desses dados pode-se obter a constante que define a equação da catenária inicial e, para as mudanças de temperatura, são obtidas novas tensões mecânicas que mudam as constantes que defi-nem a família de catenárias que aproximam o cabo no vão.

(3) em que:

y = Coordenada para a distância desejada; x0 = Distância horizontal; C = Constante da catenária; xN = Variável auxiliar para mudança de coorde-nadas do ponto x0.

Com a definição da equação da catenária é possí-

vel identificar a altura cabo-solo mínima para todos os vãos pela diferença entre os pontos da catenária e os pontos de maior relevo nos vãos obtidos por dados de projeto. Com as informações de todas as menores al-turas ao longo da linha, é possível identificar os vãos eletricamente críticos.

Para os vãos críticos climatologicamente, basta considerar aqueles que possuem a velocidade do vento estimada abaixo da velocidade de referência pré-esta-belecida.

Através do critério de não dominância podem-se definir os vãos críticos, conforme visto na Figura 3.

Validação Fazendo-se o cálculo da velocidade do vento in-

cidente na posição de cada sensor. Com as velocidades do vento calculadas, excluindo a velocidade efetiva de um sensor de referência para a comparação de resulta-dos medidos e calculados, encontra-se a condição de fronteira cujos valores de velocidade numérica mais se aproximam dos valores efetivos. Identificada a con-dição de fronteira, compara-se a velocidade numérica com a velocidade efetiva na posição do sensor de re-ferência ou utiliza-se esta velocidade para calcular a temperatura do cabo estimada, conhecendo-se todos os outros parâmetros. Esta temperatura estimada pode então ser comparada com a temperatura do cabo me-dida pelo sensor de referência, conforme apresentado pelas Figuras 8 e 9. Uma rápida análise destas figuras mostra que a metodologia proposta é bastante promis-sora.

Os dados utilizados considerados nas Figuras 8 e 9 se referem à linha de distribuição Barreiro/Nova Lima da CEMIG onde, no dia 02/08/2013, se encon-travam instalados seis sensores ( Power Donuts ). A base de dados utilizada com simulações da CLA é composta de 3600 simulações com velocidades de vento variando de 0,3 a 5,2 (m/s) com passo de 0,1 (m/s) e ângulo de incidência variando de 5º a 360º com passo de 5º.

Nas Figura 8 e Figura 9, a temperatura calculada é representada pela curva roxa e a temperatura medida pela curva azul. O eixo horizontal representa o horário que varia de 00h05min a 12h05min e o vertical a tem-peratura de 0ºC a 40ºC.

Figura 8 - Resultados para o sensor 5106. Erro médio = 0,83ºC, Erro máximo = 4,34ºC, Desvio padrão = 0,74ºC.

Figura 9 - Resultados para o sensor 5153. Erro médio = 0,73ºC, Erro máximo = 3,63ºC, Desvio padrão = 0,82ºC.

2.6 Aplicação WEB para executar a metodologia e monitorar linhas de transmissão

O software Critical Span System (CSS) foi desen-volvido com recursos que permitem monitorar e su-pervisionar a linha, como gráficos detalhados, mapas que trazem uma perspectiva visual da linha observada, e acesso direto ao banco de dados que contem as in-formações da linha de transmissão. A figura 10 mostra a primeira página de acesso desse software.

Figura 10 – Página de acesso do CSS.

Página Principal Na página “Principal”, pode-se visualizar toda a

linha através de mapas. Os vãos críticos da linha são destacados e diferenciados dos demais, e os sensores instalados são exibidos, com sua identificação e indi-cação de qual vão se localizam, além das informações


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referentes às suas medições. Nas abas inferiores, estão disponíveis algumas informações referentes aos vãos, sensores e torres da linha. Também há um menu de escolha da linha a ser supervisionada. A Figura 11 apresenta a página “Principal”.

Figura 11 - Página principal do software.

Página Vãos Na página “Vãos” encontra-se as informações re-

ferentes aos vãos da linha. São evidenciados os vãos críticos, com a possibilidade de se escolher a critici-dade a ser observada, climatologicamente crítico, ele-tricamente crítico ou crítico. A Figura 12 apresenta a página “vãos”.

Figura 12 - Página Vãos que permite visualização de todos os vãos presentes na linha de transmissão.

Página Sensores A página referente aos sensores Power Donuts

instalados na linha supervisionada permite a visuali-zação independente dos dados medidos por cada um dos sensores, como temperaturas do condutor e ambi-ente, tensão e corrente elétrica, intensidade do sinal de comunicação usado para o envio de dados. Também é possível a visualização das medições feitas, através de um gráfico de tempo real, bem como uma área reser-vada para cadastro de novos sensores e consulta de in-formações relacionadas a estes (como observado na Figura 13).

Figura 13 - Página “Sensores” onde são apresentados os sensores presentes na linha de transmissão.

Página de Dados A página “Dados” apresenta os dados armazena-

dos. O usuário deve escolher o IP do servidor que de-verá ser consultado e digitar seu usuário e senha para o acesso. Os dados consultados são exibidos na forma de tabelas, onde os dados podem ser consultados via comando SQL ou através de menus, onde lhe é dado a lista de tabelas com algumas funções de refino de pes-quisa, como a identificação do elemento escolhido e intervalo de tempo de ocorrência dos dados exibidos. A Figura 14 apresenta a página “Dados”.

Figura 14 - Página “Dados” onde se pode acessar informações pre-sentes no banco de dados.

Página Gráficos A página “Gráficos” permite ao usuário escolha

de quais dados serão exibidos (temperatura, corrente, tensão, sinal do sensor) para variável “Donuts”, e (temperatura, corrente, tensão, velocidade do vento e tração do cabo) para variável “Vãos”. A Figura 15 apresenta a página Gráficos.


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Figura 15 - Página Gráficos onde são gerados gráficos de diversos tipos para observação da linha.

3 Conclusão

O artigo apresentou uma metodologia que tem como objetivo a identificação de vãos críticos para o monitoramento de linhas de transmissão. A metodolo-gia é baseada no modelo físico que rege o problema de mecânica dos fluídos e no monitoramento da linha em tempo real com auxílio de sensores. Estima-se a temperatura do condutor em qualquer ponto da linha sem uso de dados históricos e de técnicas de previsão de valores como redes neurais ou computação evolu-cionária. Os valores de temperatura estimada podem ser determinados em qualquer vão e no momento de tempo desejado, permitindo, assim, operar a linha com segurança, maximizando a exploração do ativo.

A aplicação WEB desenvolvida para a metodolo-gia permite não só o monitoramento das linhas e vãos críticos, mas também oferece um estudo estatístico de-talhado dos vãos, indicando os vãos que mais vezes operam como vãos críticos. O conhecimento de quais vãos operam em condições críticas é importante para a área de planejamento das concessionárias, pois pode-se desejar recapacitar estes vãos e com isto ma-ximizar a exploração da linha aérea.

Referências Bibliográficas

[1] Vasconcelos, J. A.; Do Nascimento, C. A. M.; Queiroz, D. B. P. ; Faria, V. O. S. ; ROSA, M. F. ; Rodrigues, S. F. ; Silveira, F. S. ; Quirino, M. S. - “Critical Spam Sys-tem (CSS) Software para Determinação e Monitora-mento de Vãos Críticos”. Anais do VII CITENEL e III SEENEL, 2013. v. 1. p. 1-8.

[2] Jerrell, J.W.; Black, W.Z.; Parker, T.J. - “Critical Span Analysis of Overhead Conductors”, IEEE Power De-livery, Volume: 3, Issue: 4 Page(s): 1942 - 1950, 1988.

[3] Morato, L. F. ; Silva Pinheiro, S. M. ; Coelho, A. L. R. ; Nascimento, C. A. M. ; Valle, R. M. ; Vasconcelos, J. A. . Levantamento do potencial eólico da região do Rola Moça utilizando um modelo de Camada Limite Atmosférica. In: 1 Seminário Nacional sobre Engenha-ria do Vento, 2010, Belo Horizonte. Anais do 1 SENEV.

[4] Cavassin, R. S., Fernandes, T. S. P. - Uma Abordagem Multicritérios para Recapacitação de Linhas de Trans-missão, Revista Controle & Automação/Vol.23 no.6/Novembro e Dezembro 2012.

[5] Labegalini, Paulo Roberto; Labegalini, José Ayrton; Fuchs, Rubens Dario; Almeida, Márcio Tadeu de – Projetos Mecânicos das Linhas Aéreas de Transmissão – 1992.


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