DIMENSIONAMENTO DE BARRAMENTOS EM SUBESTAÇÕES - PDF
Download "DIMENSIONAMENTO DE BARRAMENTOS EM SUBESTAÇÕES"
Thiago Laranjeira Valgueiro
1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CAÁ MARCINIAK FONSECA PROJETO DE DIPLOMAÇÃO DIMENSIONAMENTO DE BARRAMENTOS EM SUBESTAÇÕES Porto Alegre 2009
2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DIMENSIONAMENTO DE BARRAMENTOS EM SUBESTAÇÕES Projeto de Diplomação apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para Graduação em Engenharia Elétrica. ORIENTADOR: Luiz Tiarajú Loureiro Porto Alegre 2009
3 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CAÁ MARCINIAK FONSECA DIMENSIONAMENTO DE BARRAMENTOS EM SUBESTAÇÕES Este projeto foi julgado adequado para fazer jus aos créditos da Disciplina de Projeto de Diplomação, do Departamento de Engenharia Elétrica e aprovado em sua forma final pelo Orientador e pela Banca Examinadora. Orientador: Prof. Luiz Tiarajú dos Reis Loureiro, UFRGS Doutor pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre, Brasil Banca Examinadora: Prof. Dr. Luiz Tiarajú dos Reis Loureiro, UFRGS Doutor pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre, Brasil Prof. Dr. Roberto Petry Homrich, UFRGS Doutor pela Universidade Federal de Campinas Campinas, Brasil Eng. Roberto Ricardo Simões de Freire Graduado pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre, Brasil Porto Alegre, Dezembro de 2009.
4 DEDICATÓRIA Dedico este trabalho aos meus avós, exemplos de estudo e dedicação. Á minha esposa pela paciência e apoio durante o projeto.
5 AGRADECIMENTOS À minha avó Ely Marciniak pelo altruísmo na luta pela educação no Brasil e pelo incentivo à busca de conhecimento. Ao meu avô Ignácio Marciniak pelo exemplo de racionalidade e amor a ciência, o que me ajudou a escolher a engenharia. A minha esposa Márcia pelo amor, amizade, apoio e por acreditar na realização deste sonho. A minha mãe, irmãos e restante da família pelo carinho e incentivo ao longo desses anos de curso, mesmo estando longe. Aos colegas de prefeitura, em especial a Maria Conceição Goulart, pela compreensão e apoio nessa etapa final. Aos colegas de engenharia elétrica pelo seu auxílio nas tarefas desenvolvidas durante o curso e apoio na busca por bibliografia e pesquisas relacionadas ao trabalho. Ao Eng. Roberto Ricardo Simões de Freire pela oportunidade de aprendizado e auxilio no começo do trabalho. Ao professor Luiz Tiarajú dos Reis Loureiro pela orientação no trabalho. À Universidade Federal do Rio Grande do Sul por oferecer um ensino público, gratuito e de qualidade.
6 RESUMO Este trabalho visa conceituar barramentos em subestações e apresentar uma sistemática para escolha e dimensionamento desses condutores. Para atingir esse objetivo, foram estudados os métodos comumente utilizados de dimensionamento. Este dimensionamento é dividido segundo os critérios elétrico, térmico, mecânico e de efeito corona. Este documento é fruto de pesquisas sobre barramentos e subestações. Como a disponibilidade de bibliografia teórica específica é pequena, talvez inexistente no Brasil, muito deste trabalho se deve ao estudo de cabeamento aéreo em linhas de transmissão. Também são apresentadas conclusões e considerações finais a respeito dos métodos encontrados, roteiro de dimensionamento e parâmetros climáticos adotados no Brasil Palavras-chaves: Engenharia Elétrica. Sistemas de Potência. Subestações. Barramentos. Ampacidade. Dimensionamento. Condutores.
7 ABSTRACT This paper aims to conceptualize buses in substations and present a systematic for selecting and sizing these conductors. To achieve this goal, the most used methods of sizing of conductors was studied. That sizing is is divided according to the criteria electrical, thermal, mechanical and corona. This document is the result of research on buses and substations. As the availability of specific theoretical bibliography is small, maybe nonexistent in Brazil, much of this work is due to the study of wiring in air lines. We also present conclusions and final considerations about the methods found, script design and climatic parameters adopted in Brazil Keywords: Electrical Engineering. Power Sistems. Substations. Buses. Ampacity. Sizing. Conductors.
8 Sumário 1 INTRODUÇÃO Motivação Apresentação do Problema e Objetivos Organização do Trabalho BARRAMENTOS Barramentos Condutores Em Subestações Barramentos Rígidos e Flexíveis Barramentos Rígidos Barramentos Flexíveis DIMENSIONAMENTO DE BARRAMENTOS Critério Elétrico Capacidade de Condução de Corrente em Regime Permanentemente Método IEEE Balanço Térmico Transmissão de calor por convecção Convecção forçada Convecção natural Perdas por radiação Aquecimento solar Resistência Elétrica do condutor Método CIGRÉ Transferência de calor por convecção Resfriamento por convecção forçada Resfriamento por convecção natural Resfriamento por convecção a baixas velocidades de vento Resfriamento por radiação Aquecimento por radiação solar Aquecimento por efeito joule Resistência elétrica do condutor Distribuição radial de temperatura Critério Térmico Capacidade de Condução de Corrente em Regime de Curto-Circuito Critério Mecânico Dimensionamento quanto a Esforços e Vibrações Dimensionamento mecânico ao curto-circuito Dimensionamento estático dos barramentos Dimensionamento estático dos barramentos Dimensionamento Sob Efeito Corona METODOLOGIA DE DIMENSIONAMENTO Roteiro de Dimensionamento Diferenças Entre Métodos IEEE e CIGRÉ para Cálculo da Capacidade de Condução de Corrente em Condutores Aéreos Condições Climatológicas no Brasil Perfil Normalmente Escolhido para Barramentos Rígidos O Uso de Programas Computacionais CONCLUSÕES E SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS...90
9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Fig. 2.1 Perfis de barramentos mais encontrados no mercado...18 Fig. 2.2 Cabo AAC...19 Fig. 2.3 Cabo ACSR...20 Fig. 2.4 Cabo ACAR...21 Fig. 2.5 Cabo TW x cabo standard...23 Fig. 2.6 Cabo VR...24 Fig. 2.7 Cabo OVAL ACSR...25 Fig. 2.8 Cabo SDC...25 Fig. 2.9 Cabo LNC...25 Fig. 3.1 Relação entre o Diâmetro e a Capacidade de Condução de Corrente do Contudor...27 Fig. 3.2 Relação entre a velocidade do vento e a corrente alternada no condutor...32 Fig. 3.3 Relação entre resistência e diâmetro do condutor...41 Fig. 3.4 Rugosidade do cabo...45 Fig. 3.5 Passo de corrente...54 Fig. 3.6 Diagrama esquemático do curto-circuito...55 Fig. 3.7 Decomposição da corrente de curto-circuito...56 Fig. 3.8 Fatores m e n...58 Fig. 3.9 Fator de assimetria...59 Fig Módulo de Resistência e Momento de Inércia...66 Fig Catenária...68 Fig Comprimentos Críticos segundo a frequência própria...72 Fig. 4.1 Fluxograma simplificado dimensionamento de barramentos...78 Fig. 4.2 Mapa de irradiação solar global no Brasil solstício de verão...83
10 LISTA DE ABREVIATURAS ANEEL: Agência Nacional de Energia Elétrica ONS: Operador Nacional do Sistema ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas ABAL: Associação Brasileira do Alumínio NBR: Norma Brasileira UFRGS: Universidade Federal do Rio Grande do Sul IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers IACS: International Annealed Copper Standards IEC: International Electrotechnical Commission ASTM: American Society for Testing and Materials ALCAN: Aluminum Company of Canada AT: Alta Tensão MT: Média Tensão SE: Subestação AAC: All Aluminum Condutor ACSR: Aluminum Conductor, Stell Reinforced AAAC: All Aluminum Conductor, Alloy Reinforced TW: Trapezoidal Wire VR: Vibration Resistence SDC: Self-Damping Conductor LNC: Low Noise Conductor ACSS: Aluminum Conductor, Steel-Supported CAA: Condutor de Alumínio de Alma de Aço CA: Condutor de Alumínio
11 11 1 INTRODUÇÃO 1.1 MOTIVAÇÃO Subestações são instalações elétricas de alta potência que funcionam como ponto de controle e transferência em um sistema de transmissão elétrica, direcionando e controlando fluxo energético, transformando os níveis de tensão e funcionando como pontos de entrega para consumidores industriais. O desenvolvimento socio-econômico que o Brasil vem sofrendo nos últimos anos, faz com que seja necessária uma maior oferta de energia no país. Isso só será possível com investimentos em geração e transmissão. Consequentemente, novas subestações são também incluídas nesse processo na medida que são parte integrante do sistema energético, no auxílio ao controle e distribuição da energia aos centros consumidores. Neste cenário, o projeto de subestações é de grande relevância. E o dimensionamento de condutores é um fator importante ao projeto. O correto dimensionamento dos condutores, além de obviamente ser vital para a segurança das instalações, equipamentos e operadores, também tem influência no custo final do projeto, tornando assim de grande valor e interesse para a viabilidade do projeto. O dimensionamento de barramentos condutores para subestações é um procedimento trabalhoso, além ser de uma certa complexidade. É um processo que implica a execução de numerosos cálculos e a consulta de vários quadros e tabelas, no sentido de dimensionar corretamente o barramento e adequá-lo para a subestação em questão. Muitos desses cálculos devem ser executados de maneira iterativa. Denota-se então a importância de um roteiro que agregue toda a informação necessária ao dimensionamento de barramentos e capaz de usar essa informação em conjunto com os dados relativos à subestação, para executar os cálculos de dimensionamento necessários. Este documento
12 12 apresenta as principais características dos condutores utilizados em subestações, bem como os métodos mais comumente usados para o seu dimensinamento. A falta de bibliografia específica para dimensionamento de barramentos em subestações no Brasil também é um fator de motivação, pois faz-se necessária maior documentação em língua portuguesa. 1.2 APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA E OBJETIVOS O trabalho objetiva primeiramente conceituar barramentos rígidos e flexíveis utilizados em subestações a fim de embasar a proposta de sistemática para o dimensionamento. Na memória descritiva referente ao projeto de uma subestação, é necessário a apresentação da justificação e cálculos relativos aos elementos utilizados na mesma. Sendo assim, mesmo tendo um programa computacional que dimensione o barramento ou tabelas de utilização de condutores para uma determinada região, os cálculos que justifiquem a escolha desse barramento devem ser apresentados. Portanto, é necessária base teórica que guie este processo. Este é o objetivo principal deste trabalho. Em se tratando de dimensionamento de cabos aéreos, os métodos apresentados pelo CIGRE e pela IEEE são os mais conhecidos e aceitos internacionalmente, mas diferem em alguns aspectos. É também objetivo deste trabalho apresentar os dois métodos e procurar elucidar pontos de discondância. 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO Para alcançar todos os objetivos propostos, este documento está dividido em cinco capítulos. O presente capítulo, destina-se a fazer uma introdução aos problemas que serão discutidos e explicar o porquê deste projeto.
13 13 O capítulo 2 destina-se a conceituar barramento rígidos e flexíveis usados em subestações, embasamento necessário ao capítulo subsequente. O capítulo 3 trata do dimensionamento de barramentos propriamente dito. Neste capítulo são apresentados os métodos mais utilizados de dimensionamento. O capítulo é subdividido segundo os critérios elétrico, térmico, mecânico e efeito corona. O dimensionamento elétrico recebe maior ênfase por acreditar o autor que tem maior relevância em projetos de subestações, visto que é fator determinante para o cálculo de barramentos flexíveis que são mais usados em subestações no Brasil devido a seu menor custo em relação aos barramentos rígidos. O capítulo 4 faz uma análise dos métodos apresentados no capítulo 3, apresenta uma metodologia de cálculo agregando todos os critérios e considerações finais a respeito do dimensionamento. Os resultados e conclusões do trabalho são apresentados no Capítulo 5.
14 14 2 BARRAMENTOS 2.1 BARRAMENTOS CONDUTORES EM SUBESTAÇÕES A energia elétrica é transportada em Alta Tensão (AT) até às subestações através de linhas aéreas de condutores nus, sendo a sua ligação feita diretamente através de um pórtico de recepção presente na subestação ou alternativamente através de cabos isolados. A partir deste ponto, a função de uma subestação é a grosso modo, converter a energia com níveis de tensão altos em energia com níveis de tensão mais baixos, por exemplo, em Média Tensão (MT). O elemento da subestação que desempenha esta função, e que pode ser entendido como o coração da subestação, é o transformador de potência, que recebe no seu primário a energia em AT, por exemplo, e no secundário entrega a mesma energia mas com níveis de tensão mais baixos (MT). Porém, para que este processo ocorra em segurança, a rede de AT não pode ser diretamente ligada ao transformador de potência. Deve primeiro passar por um conjunto de outros equipamentos, como chaves seccionadoras, disjuntores, transformadores de corrente, transformadores de tensão, para-raios, que garantem a proteção da instalação no caso de ocorrer algum defeito que possa colocar em risco a integridade da mesma e ajudam no controle de fluxo de potência da subestação. Sendo assim, entre a chegada da energia à subestação e a sua chegada até o transformador de potência, passando por toda a aparelhagem de proteção e medida, o meio de conexão entre as diversas partes é o barramento. Entende-se por barramento, um grupo de condutores que serve de conexão comum para dois ou mais circuitos. Os condutores de um barramento, tem normalmente a forma de uma barra. Já no âmbito das instalações elétricas industriais, no qual se incluem as subestações, conceitua-se os barramentos como sendo um grupo de condutores elétricos, normalmente nús, pintados ou não, eventualmente encapsulados, destinados a permitir o transporte de altas correntes entre dois pontos, ou a proporcionar uma distribuição de correntes com varias alimentações e
15 15 múltiplas saídas. Em ambos os casos esse fim deve ser atingido de maneira funcional, segura, estética e econômica [12]. Os barramentos podem ser: Rígidos; Flexíveis; No que diz respeito a ligações feitas com barramentos flexíveis, utiliza-se normalmente o cabo nu e são encontrados principalmente nas subestações de grandes dimensões. Possuem no entanto alguns pontos negativos. Sendo constituídos por material maleável, estão mais sujeitos a esforços eletrodinâmicos e oscilações provenientes do vento ou chuva o que fará com que seja necessário aumentar a distância entre fases de modo a garantir a segurança. Isto pode ser um problema complicado em situações onde o espaço destinado à subestação é limitado, situação que ocorre frequentemente em subestações particulares, como em indústrias por exemplo. A distância ao solo é outro ponto de diferenciação quando se utilizam barramentos flexíveis, devido às flechas. Em contrapartida, tratando-se de subestações de grandes dimensões, estes condutores são mais vantajosos, pois para situações em que são necessárias ligações que cubram grandes distâncias, a utilização de barramentos flexíveis irá proporcionar o uso de um menor número de estruturas metálicas. Além disso os cabos condutores são relativamente mais baratos que os perfis rígidos. Os condutores rígidos são basicamente perfis fabricados em material condutor, podendo tomar várias formas, mas sendo o perfil tubular o utilizado nas subestações. Em suma os condutores rígidos são utilizados quando a otimização do espaço ou fatores estéticos são os principais parâmetros e condutores flexíveis são preferidos quando o fator econômico é o mais importante na escolha do barramento.
16 BARRAMENTOS RÍGIDOS E FLEXÍVEIS Os metais mais usados como condutores em cabos elétricos e barramentos são o cobre e o alumínio. O cobre é obtido impuro por tratamento dos metais sulforosos que o contêm e posteriormente purificado por processos eletrolíticos. A sua elevada ductividade permite obter fios muito finos, embora o endurecimento causado pelo processo limite a sua flexibilidade, obrigando ao recozimento dos mesmos. A operação de estiramento é chamada trefilagem e a reunião de vários fios ou grupos de fios forma um condutor para isolamento, que será tanto mais flexível quanto mais finos forem os fios e cuja seção corresponde à soma das secções dos fios individuais. O cobre, apesar das suas múltiplas qualidades, tem inconvenientes como densidade alta e custo elevado, o que muitas vezes leva à sua substituição por outro metal mais leve e econômico. O alumínio é a alternativa mais viável. O alumínio, em contato com o ar, cobre-se de uma película de óxido (Alumina) que o protege de futuras oxidações, embora tenha o inconveniente de ser isolante e dificultar a execução de conexões elétricas. Um outro problema é que o alumínio em contato com metais mais nobres (ferro, cobre, etc.) e em presença de umidade constitui um par galvânico que o corrói lentamente até à desagregação. Mas estes inconvenientes são controláveis e o alumínio tem ampla aplicação principalmente em linhas aéreas e cabos de grande seção para alta e baixa tensão. Devido à sua baixa densidade (cerca de 1/3 da do Cobre) e considerando a relação entre as resistividades, o cobre pode ser substituído por metade do seu peso em alumínio, para a mesma resistência eléctrica. Além disto o alumínio tem um custo menor do que o cobre. Um outro fator em favor ao alumínio é que quando ocorre um arco de curto-circuito, nos barramentos se formam resíduos apenas sob a forma de poeiras não condutoras de óxido de alumínio, de forma que não é depositado metal sobre os isoladores e aparelhagem vizinha. As propriedades mecânicas do Alumínio são bastante inferiores às do cobre e, devido à baixa
17 17 resistência à tração é usado na forma de ligas ou reforçado com fios de aço no caso das linhas aéreas. A resistividade padrão do Alumínio a 20ºC é: 1 =0, mm 2 /m 35, BARRAMENTOS RÍGIDOS Para barramentos rígidos em subestações podem ser usados os seguintes tipos de perfis: Vergalhões: seções circulares maciças (fig 2.1). Usados para baixas correntes em pequenas subestações. Eram usados em pequenas subestações e cubículos de baixa tensão. Tubos: possuem melhor refrigeração do que os vergalhões devido ao maior perímetro, portanto são melhores para transportar mais altas correntes. Além disso, a forma tubular apresenta melhor comportamento mecânico do que a forma maciça. São frequentemente usados para subestações de até 138kV. Barras chatas: podem ter seções retangulares ou possuirem formas em U, em V ou em C. Possuem a vantagem de ter uma grande superfície de resfriamento, por isso são usadas para altas ampacidades, como por exemplo em subestações com baixa tensão e alta corrente. A fig 2.1 mostra os perfis mensionados que são também os mais encontrados no mercado.
18 18 Fig. 2.1 Perfis de barramentos mais encontrados no mercado Embora sejam encontrados diversos tipos de perfis de alumínio, na prática os perfis aplicados em subestações são essencialmente de seção tubular. Os perfis tubulares são normalmente designados pelo seu diâmetro externo (D) e diâmetro interno (d). Algumas normas preferem utilizar a nomenclatura D x e, onde e é a espessura da parede do tubo. Outra questão a respeito dos barramentos rígidos é se este é pintado ou não. A principal diferença entre uma e outra versão é que um barramento pintado pode transportar uma maior corrente em regime permanente, e é obviamente mais caro. Porém, no projeto de subestações expostas ao tempo são utilizados barramento nus, devido ao fato de que, os barramentos irão estar, assim como os demais equipamentos, sujeitos à atuação de intempéries como chuva, vento, granizo, poluição. Estes fatores acabam por deteriorar o tratamendo dado ao barramento. Com essa deterioração o barramento irá perder parte de suas propriedades e poderá deixar de ser adequado à instalação em questão, visto que os cálculos de dimensionamento foram feitos considerando os condutores pintados.
19 BARRAMENTOS FLEXÍVEIS Em barramentos flexíveis são usados normalmente cabos de cobre e alumínio. São tipos de cabos usados em sistemas de potência: AAC (All Aluminum Conductor): todos os condutores de alumínio (fig. 2.2). Tem uma alta relação peso-condutividade. Utiliza fios de alumínio do tipo 1350-H19 e possui uma condutividade de 61,2% IACS (International Annealed Copper Standards), a mais alta entre todos os condutores utilizados em linhas aéreas. Devido a isso, é recomendado [29] para o uso em áreas urbanas com limitações de espaço onde vãos curtos e alta condutividade são necessários. É o cabo mais utilizado em subestações. Fig. 2.2 Cabo AAC ACSR (Aluminum Conductor, Stell Reinforced): condutores de alumínio com alma de aço (CAA). Devido a sua alta resistência mecânica, tem mais alta ampacidade para a mesmo seção de condutor (medida em área de seção transversal de alumínio, o aço é desconsiderado). Possui fios de alumínio do tipo 1350-H19 na periferia e fios de aço no núcleo. É recomendado para o uso em linhas de transmissão em áreas rurais onde os vãos são maiores. O aço faz com que o condutor fique mais pesado, tendo normalmente de 11 a 18% do peso do condutor [26]. Valores típicos para a proporção entre fios de alumínio e aço são 18/1, 45/7, 72/7 e 84/19 mas podem ocorrer variações a fim de se obter maior resistência a tração. A figura 2.3 mostra exemplos de diversos cabos ACSR.
20 20 Devido à presença do núcleo de aço, linhas desenhadas com ACSR se deformam menos do que as que usam outros condutores, produzindo menos flecha para uma mesma dada tensão nos cabos. Portanto, a temperatura máxima do condutor pode ser aumentada de forma a permitir um nível térmico mais alto ao substituir um outro condutor padrão pelo ACSR. A alta resistência térmica do ACSR permite ser instalado em regiões sujeitas a grandes rajadas de vento. O cabo ACSR também tem menos probabilidade de romper ao ser atingido por objetos. Fig. 2.3 Cabo ACSR AAAC (All Aluminum Alloy Conductor): todos os condutores de liga de alumínio. É feito de fios de alumínio do tipo 6201-T81. Tem alta resistência mecânica e ampacidade semelhante aos dois primeiros. Em comparação com um cabo ACSR de mesmo diâmetro, o cabo AAAC tem um nível térmico semelhante, relação peso-resistência mecânica maior, menores perdas elétricas e resistência a corrosão superior. É usado em áreas costeiras e demais áreas onde o cabo ASCR é proibido por causa do excesso de corrosão.
21 21 ACAR (Aluminum Conductor, Alloy Reinforced): condutor de alumínio, reforçado com fios de liga de alumínio. Consiste de uma mistura de fios de alumínio 6201-T81 e 1350H19 de mesmo diâmetro. Devido a terem o mesmo diâmetro, os fios podem ser intercambiáveis com o objetivo de otimizar as propriedades do cabo ACAR para cada aplicação em particular. Por exemplo, aumentando-se o número de fios 6201 pode-se atingir uma relação peso-resistência igual ao do cabo ACSR. Este condutor apresenta também uma excelente resistência à corrosão. A fig. 2.4 mostra alguns dos padrões de fios do cabo ACAR. Fig. 2.4 Cabo ACAR As subestações, em geral possuem vãos curtos, o que reduz a necessidade de cabos com alta resistência mecânica. Por este motivo, os cabos AAC são os mais utilizados. Existem ainda os condutores modificados. Esses condutores são adaptações na construção do condutor com o objetivo de melhor a sua performance sob certas condições. Essas modificações podem ser feitas a fim de se aumentar o nível térmico do condutor mantendo o mesmo diâmetro,
22 22 aumento do auto-amortecimento do condutor ajudando na diminuição das vibrações eólicas e até mesmo aumento na tração mecânica da linha produzindo diminuição na flecha. As modificações podem vir na forma de alterações do formato dos fios, mudança dos graus de têmpera do alumínio dos fios, utilização de direntes tipos de revestimento para proteção à corrosão do núcleo de aço em cabos compostos ou também na alteração da configuração geométrica do condutor a fim de produzir variação no perfil do vento. Todas estas modificações podem ser usadas separadamente ou em combinação atingindo-se assim as propriedades desejadas e otimizando a performance. Os cabos chamados TW (Trapezoidal Wire, ou Trapwire), são derivados da construção convencional tendo apenas os seus fios em forma de trapézio. Nesse tipo de construção, os cabos de metal homogêneo (AAC e AAAC) podem ter todos os fios em forma de trapézio, exceto o centro. Já nos cabos não homogêneos (ACSR e ACAR), os múltiplos fios podem ser arranjados de forma a permanecer um material sobre o outro formando camadas (ver fig. 2.5). Isto se deve a diferença nos coeficientes de dilatação dos dois materiais. O TW é uma construção compacta tendo uma redução no diâmetro de aproximadamente 10% em comparação com o mesmo tipo e com a mesma área. Devido a grande compactação do TW, mais alumínio pode ser adicionado mantendo o mesmo diâmetro do condutor padrão. O alumínio adicional de aproximadamente 20% a 25% reduz a resistência elétrica do condutor, aumentando assim a capacidade de condução de corrente do mesmo diâmetro de condutor de 8% a 10%. O condutor de fio trapezoidal também tém outros características desejáveis. O desenho compacto resulta numa melhora nas caracteristicas de corrosão. Além disso, testes indicam que o cabo TW apresenta menor número de fios quebrados ao longo do tempo em relação ao cabo tradicional. A fig 2.5 mostra a comparação entre os cabos TW e os cabos tradicionais no que diz respeito a área e ao diâmetro.
23 23 Fig. 2.5 Cabo TW x cabo standard Os cabos ACSS (Aluminum Conductor, Steel-Supported) são cabos com construção similar aos ACSR mas usando fios de alumínio integralmente recozidos (têmpera zero). Sob condições típicas de operação, o ACSS basicamente permite que toda a carga mecânica seja carregada pelo núcleo de aço. O cabo ACSS tem condutividade de 63% IACS devido a sua alta maleabilidade. Por ser recozido, o condutor pode operar sob temperaturas acima de 200ºC sem perda no sua resistência mecânica. Além disso, o condutor apresenta uma baixa tensão nos fios de alumínio, o que aumenta a caracteristica de auto-amortecimento sob condições climáticas desfavoráveis. Esses cabos são frequentemente preferidos para aplicações onde altas correntes são requeridas em situações de emergência. Existem ainda os cabos VR (Vibration Resistant) que são resistentes às vibrações causadas pelo vento. O cabo consiste de dois condutores espiralados um sobre o outro. O alinhamento vertical dos dois condutores, ou seja 180º de rotação ocorre aproximadamente a cada 3 metros. Se observarmos a seção do cabo em intervalos pequenos, conforme a figura 2.6, podemos notar que é
24 24 formada uma figura rotativa com os dois condutores no sentido anti-horário. Nos cabos VR a amplitude e frequência de vibração devido a interferências climáticas são reduzidas ou eliminadas, devido a sua seção transversal conjugada não circular. A frequência e amplitude das vibrações causadas pelo vento e consequente fadiga do material são também reduzidas devido a variação do perfil ao longo do comprimento do condutor. Como resultado, os condutores VR podem ser instalados em locais onde haja altas cargas de tensão sendo menor a necessidade de amortecedores. A fig 2.6 mostra a geometria do cabovr. Fig. 2.6 Cabo VR Existem ainda outras novas tecnologias usadas em cabos como o OVAL ACSR (fig. 2.7) que possui uma geometria de seção transversal oval diminuindo os efeitos do vento, o cabo SDC (SelfDamping Conductor) (fig. 2.8) que possui auto amortecimento, absorvendo parte das forças sobre o cabo e o cabo LNC (Low Noise Condutor) (fig 2.9) que tem sua geometria adaptada a reduzir o ruído causado pelo vento (não pelo efeito corona).
25 25 Fig. 2.7 Cabo OVAL ACSR Fig. 2.8 Cabo SDC Fig. 2.9 Cabo LNC As normas brasileiras NBR07270 Cabos de Alumínio com Alma de Aço para Linhas Aéreas [27] e NB07271 Cabos de Alumínio para Linhas Aéreas [28] trazem tabelas com as características dos cabos ACSR e AAC, respectivamente. São fatores que influenciam na escolha da configuração dos barramentos: Utilização: pode ser destinado a transporte de energia elétrica entre dois pontos ou a distribuição de energia, seja em subestações abrigadas ou expostas ao tempo. Ambiente: pode, por exemplo, ser usado nas zonas costeiras onde há problemas de oxidação nos condutores ou em ambientes expostos a muita poluição. Neste caso, ligas de alumínio devem ser utilizadas. Corrente: a corrente nominal e de curto-circuito que poderá ser conduzida são os principais índices para a escolha da forma das barras e para o dimensionamento do barramento.
26 26 3 DIMENSIONAMENTO DE BARRAMENTOS 3.1 CRITÉRIO ELÉTRICO CAPACIDADE DE CONDUÇÃO DE CORRENTE EM REGIME PERMANENTEMENTE O dimensionamento da capacidade de condução de corrente em regime permanente, chamada também de ampacidade, é calculado levando em consideração propriedades químicas dos elementos que compõem o sistema. O cálculo utiliza como parâmetros os valores de condutividade, permissividade, emissividade e calor específico do metal que compõe o condutor e também propriedades físicas, como o diâmetro, geometria e comprimento do condutor. Além disso, condições climáticas são fundamentais para o dimensionamento uma vez que fazem parte da equação de balanço térmico do condutor. A figura 3.1 apresenta a variação de capacidade de condução de corrente do condutor em função do seu diâmetro para diferentes condições de conservação do condutor.
27 27 Fig. 3.1 Relação entre o Diâmetro e a Capacidade de Condução de Corrente do Contudor MÉTODO IEEE O método apresentado pelo IEEE [2] consiste em determinar, através dos fatores citados, as perdas e ganhos de calor no condutor. De posse desses dados, juntamente com o valor da resistência elétrica do condutor, determina-se a corrente que poderá fluir num determinado condutor a uma determinada temperatura. A corrente calculada é então comparada com a corrente dada para a potência fornecida.
28 BALANÇO TÉRMICO Em condições de equilíbrio de velocidade do vento, temperatura, radiação solar e corrente elétrica é válida a seguinte equação de balanço térmico do condutor: 2 q c q r =q s I R T c 3.1 ou I= qc q r q s R T c 3.2 Onde: qc é a quantidade de calor dissipada por convecção em W/m; q r é a quantidade de calor dissipada por radiação; I é valor eficaz da corrente em amperes; R T c é a resistencia elétrica em corrente alternada em ohms/m como sendo função da temperatura do condutor; q s é a quantidade de calor recebida por aquecimento solar. No caso de não haver equilíbrio, uma outra parcela deve ser acrescentada, ficando a equação: q c q r mc p dt c 2 =q s I R T c dt 3.3 Onde: mc p é capacidade de calor total do condutor; T c é a temperatura do condutor em ºC. Um condutor sob condições transitórias de carga pode ser classificado como um sistema de fluxo de calor com resistência térmica interna desprezível. A resistência térmica entre a superfície do sistema e o ar ao seu redor é muito maior do que a resistência térmica interna do sistema de forma que esta acaba por definir o processo de transferência de calor [3].
29 TRANSMISSÃO DE CALOR POR CONVECÇÃO Segundo ensaios feitos em laboratório [4], a velocidade vertical do ar situa-se entre 0,12 m/s e 0,18 m/s devido ao efeito chaminé causado pelo condutor aquecido. A temperatura máxima permitida para o condutor varia de 75ºC a 150ºC. Condições climáticas conservativas para o verão de 0,6 m/s a 1,2 m/s para velocidade do vento e temperatura ambiente no verão de 30ºC a 45ºC são comumente usadas para os cálculos CONVECÇÃO FORÇADA A relação fundamental para transmissão de calor por convecção de barramentos horizontais quando o número de Reynolds estiver entre 0,1 e 1000, ou seja ventos fracos é dada por: [ D f Vw q c = 1,01 0,0372 μf ] 0,52 κ f. K θ T c T a 3.4 Quando o número de Reynolds estiver entre 1000 e 18000, ou seja ventos fortes, a expressão é: [ D f V w q c = 0,0119 μf 0,6 k f K θ T c T a ] Onde: D é o diâmetro do condutor em mm; V w é a velocidade de vento; T a é a temperatura ambiente; κ f é a condutividade térmica do ar na temperatura Tf; ρ f é densidade do ar; μ f é a viscosidade absoluta do ar; Kθ é o fator de direção do vento. 3.5
30 30 O número de Reynolds é dado por: R e=d.ρf.vwμf 3.6 O fator de direção do vento pode ser calculado por: K θ=1,194 cos Φ 0,194 cos 2Φ 0,368 sen 2Φ 3.7 onde Φ é o ângulo entre a direção do vento e o eixo do condutor. Exemplos de valores gerados a partir dessa definição: Φ Kθ 90º 45º 30º 20º 0º 1 0,855 0,744 0,639 0,388 Os valores de viscosidade, densidade e condutividade térmica do ar podem ser obtidos em função da temperatura T f dada por: T f = T a T c 2 e da elevação do condutor acima do nível do mar 3.8 H e, dada em m. Viscosidade do ar: 1, T f 273 1,5 μf= T f 383,4 3.9 Densidade do ar: 1,293 1, H e 6, H 2e ρf= 1 0,00367 T f 3.10 Condutividade térmica do ar: κ f =2, , T f 4, T 2f 3.11
31 31 O quadro [2] a seguir apresenta valores típicos de viscosidade, densidade do ar e condutividade: emperatura Viscosidade T film dinâmica Condutividade Densidade do Ar térmica do ar 3 r kg / m r kf ºC (Pa. s) 0m 1000m 2000m 4000m W/(m.ºC) 10 0, ,247 1,106 0,978 0,757 0, , ,205 1,068 0,944 0,731 0, , ,165 1,033 0,913 0,707 0, , ,127 1,000 0,884 0,685 0, , ,093 0,969 0,856 0,663 0, , ,060 0,940 0,831 0,643 0, , ,029 0,912 0,806 0,625 0, , ,000 0,887 0,783 0,607 0, , ,972 0,862 0,762 0,590 0, , ,946 0,839 0,741 0,574 0,0317 Valores intermediários podem ser obtidos com pouca margem de erro por interpolação CONVECÇÃO NATURAL Com velocidade do vento iqual a zero, ocorre a convecção natural. Na verdade, numericamente o valor da convecção natural é aproximadamente igual a da convecção forçada para valores de velocidade do vento de 0,9 m/s e direção do vento de zero graus. A equação para o cálculo da perda de calor por convecção natural é dada por: 0,5 q cn=0,0205 f D 0,75 1, T c T a É recomendado o uso do maior valor entre os dois valores de qc para um dado diâmetro do condutor. Recomenda-se também usar o maior valor entre a convecção natural e forçada para o caso de ventos muito fracos [2]. A figura 3.2 mostra a relação entre a velocidade do vento (em milhas/hora) e a corrente alternada (em ampères).
32 32 Fig. 3.2 Relação entre a velocidade do vento e a corrente alternada no condutor Fonte: HOUSE, H. E; TUTTLE, P. D.. Current-Carrying Capacity of ACSR [1] PERDAS POR RADIAÇÃO A perda por radiação de um condutor é dada por: q r =σεa ' K 4c K 4a Onde σ é a constante de Stefan-Boltzman, ε é a emissividade, 3.13 A ' =πd/12 é a área do cilindro circunscrito e K é a temperatura em graus Kelvin. Substituindo a constante, convertendo a área em termos do diâmetro do condutor e convertendo a temperatura para graus Celsius chegamos à:
33 T 273 T 273 q r =0,0178 Dε [ c a ] A emissividade do condutor de alumínio novo é aproximadamente igual a 0,2. Já um condutor escurecido pelos anos pode chegar a 0,9 ou mais. Normalmente é utilizado um valor médio de 0,5 [7] AQUECIMENTO SOLAR As condições da superfície do condutor determinarão a quantidade de energia solar que esse condutor absorverá. Corpos negros tem 100% de absorção, enquanto que corpos brilhantes podem absorver somente uma pequena porção do total da energia recebida, sendo o restante refletido de volta ao ambiente. A importância do efeito de radiação solar na temperatura do condutor torna-se evidente na medida em que tem-se anualmente valores de máxima intensidade nos meses de verão, especialmente dezembro e janeiro que são também os meses de maior carga no Brasil. A forma do cálculo da absorção de energia solar, caso haja luz solar incidente é: q s=αq se sen θ A ' 3.15 Onde: α = coeficiente de absorção solar; Q se = fluxo total de calor irradiado pelo sol e pelo céu corrigido [W/cm2]; θ = ângulo efetivo de incidência dos raios solares (graus). Sendo: θ=arccos [cos H c cos Z c Z l ] Onde: H c = altitude do sol em graus; Z c = azimute do sol em graus; Z l = azimute da linha em graus. 3.16
34 34 Observação: o valor de α varia de 0,23 para condutores novos a 0,95 para condutores escurecidos com o tempo. Utiliza-se normalmente o valor intermediário de 0,5. Os valores da altitude e dos azimutes podem ser calculados a partir de equações encontradas nas referências [2]. O valor da altitude do sol é expresso por: H c =arcsen[cos lat cos δ cos ω sen lat sen δ ] 3.17 Onde: ω é o ângulo da hora do dia. Utilizando-se um dia de 12 horas e uma trajetória solar de 180º, podemos aproximar ω por hora do dia 12 15º. Por exemplo, as 11h teremos ω = -15º e as 15h teremos ω = 45º. é a inclinação solar que é dada por: δ =23,4583 sen [ 284 N ] 3.18 Onde N é o dia do ano. N varia de 1 para 1º de janeiro a 365 para 31 de dezembro. O valor do azimute do sol é expresso por: Z c =C arctan X 3.19 Onde: X é uma variável do azimute solar dada por: 3.20 X =sen ω sen lat cos ω cos lat tan δ C = constante de azimute solar que é dada em função do ângulo da hora do dia e da variável X e vale: Ângulo da hora do dia ω C (graus) se X ω <0 0 0 ω <
35 35 O valor do fluxo total de calor Q s recebido pela superfície ao nível do mar é dependente da altitude do sol e da claridade da atmosfera. Esse valor pode ser obtido pela seguinte equação regressiva: Q s= A BH c CH c DH c EH c FH c GH c Os coeficientes de 3.21 estão apresentados no quadro: Atmosfera limpa Atmosfera industrial A -42, ,1821 B 63, ,2110 C -1,9220 6,6138 x 10-1 D 3,46921 x ,1658 x 10-2 E -3,61118 x ,4654 x 10-4 F 1,94318 x ,3446 x 10-6 G -4,07608 x ,3236 x 10-8 O quadro [2] a seguir mostra valores da altitude do sol e da quantidade de calor recebida por radiação calculados a partir desse método: H c (graus) Q s (W/m²) Atmosfera limpa Atmosfera industrial
36 36 A quantidade de calor recebida por uma superfície plana perpendicular aos raios do sol e localizada fora da atmosfera da terra é de aproximadamente 1324 W/m². Entretanto, parte dessa energia é absorvida pela atmosfera antes de atingir a terra. Pontos mais altos recebem mais energia do que áreas ao nível do mar. Estima-se que lugares situados a 3000 metros de altitude, por exemplo, recebam 25% mais energia solar em relação a altitude zero [1]. Para corrigir esta diferença, introduz-se o fator de correção de elevação K solar obtendo-se o valor corrigido da quantidade total de calor recebida por radiação solar: Q se= K solar Q s 3.22 O fator de correção é definido como: K solar =A BH e CH e Onde: A=1 B = 1, C = -1, H e é a elevação acima do nível do mar em metros O quadro abaixo [2] fornece alguns valores para o fator de correção: Elevação acima do nível do mar He Fator de correção de elevação 0 1, , , ,28 K solar
37 RESISTÊNCIA ELÉTRICA DO CONDUTOR Designa-se por resistência elétrica a maior ou menor dificuldade a passagem de elétrons oferecida por um condutor percorrido por uma corrente elétrica. Teoricamente a corrente elétrica consiste no deslocamento de elétrons de um potencial para outro através do condutor. Estas partículas ao se deslocarem pelo condutor colidem com os núcleos dos átomos do material condutor causando assim resistência a passagem desses elétrons. Este raciocínio explica por que razão os condutores apresentam resistências distintas, dadas as suas diferentes constituições atómicas. A resistência elétrica do condutor varia com a frequência, densidade média de corrente e temperatura. Para 60 Hz AC, a uma temperatura de 25 ºC e de 75 ºC, o Aluminum Electrical Conductor Handbook [5] fornece esses valores calculados de resistência elétrica para os condutores de alumínio mais usados. Estes valores calculados incluem o efeito pelicular que é um fenômeno que ocorre em corrente alternada. As cargas elétricas em movimento tendem a se concentrar pela periferia do condutor, deixando assim a parte mais interna com uma densidade de corrente menor. À medida que essa frequência é aumentada, este efeito é mais significativo, ao ponto de não passar mais cargas pelo centro do condutor, apenas na região periférica, daí o nome efeito pelicular. Esses valores, fornecidos para todos os principais tipos de condutores, não incluem a correção devido ao efeito magnético no centro do condutor dependente da densidade de corrente. Esse efeito é mais significativo em condutores com alma de aço com número impar de camadas de alumínio. Condutores com alma de aço de uma única camada tem sua resistência aumentada de 20% devido ao efeito pelicular. O aumento de resistência em condutores com 3 camadas é aproximadamente 3% em relação aos condutores com com camada única. Para condutores com alma de aço deve-se ter um estudo de engenharia específico para determinação de sua resistência. De maneira aproximada, pode-se determinar qualquer valor de resistência elétrica de um condutor por interpolação linear, sabendo-se dois dos valores tabelados:
38 38 R T c =[ R T superior R T inferior ] T c T inferior R T inferior T superior T inferior 3.24 Os valores de resistividade da maioria dos metais comumente usados como condutores aumentam um pouco mais rapidamente do que o modelo linear proposto (portando o cálculo é mais conservativo). Segundo o IEEE Std 738 [2] o uso de valores tabelados de T superior =75 produz valores de resistência elétrica do a uma temperatura T inferior =25 e Tc do condutor que vai de 20 a 500 com erros da ordem de no máximo 3% e podendo ser desconsiderado na maior parte dos casos. Um outro método, mais comumente usado, sugere a utilização da resistência elétrica em corrente contínua. Essa resistência elétrica para uma dada temperatura pode ser calculada através de: R= 4 K 2 n d 3.25 Onde: ρ = resistividade elétrica do alumínio, em uma dada temperatura (normalmente, na temperatura de 20 ºC, conforme a NBR 07270) n = numero de fios de alumínio d = diâmetro dos fios de alumínio K = fator de acréscimo da resistência elétrica devido a torção dos fios. Normas internacionais trazem esses valores para os cabos CAA e CA. Essa resistência será determinada para a temperatura da resistividade, normalmente 20ºC. As normas brasileiras NBR07270 Cabos de Alumínio com Alma de Aço para Linhas Aéreas [8] e NBR07271 Cabos de Alumínio para Linhas Aéreas [9] fornecem valores de resistência elétrica a 20ºC para CAAs e CAs respectivamente. Para a determinação do valor da resistência elétrica de um condutor é necessário que o condutor permaneça um mínimo de 12 horas a uma temperatura ambiente entre 10 e 30ºC. Utiliza-se uma ponte de Wheatstone ou uma ponte de Thompson. O valor da leitura na ponte, em Ohms, dividido pelo comprimento do condutor, em km,
39 39 permite calcular a resistência em Ohm/km. Para o cálculo da resistência equivalente RT a uma outra temperatura, utiliza-se a seguinte equação: RT =R 20 [1 20 T 20 ] 3.26 Sendo, 20 o coeficiente de temperatura a 20ºC do alumínio. O quadro a seguir apresenta valores de 20 e de 20 para o alumínio com varias condutividades. Condutividade Mínima 20 º C 1 20 mm 2 /km 61,0 0, ,264 61,3 0, ,126 61,4 0, ,080 61,5 0, ,034 61,8 0, ,898 61,9 0, ,853 62,0 0, ,808 62,2 0, ,719 62,3 0, ,674 62,4 0, ,630 62,5 0, ,586 O cálculo da resistência elétrica em corrente alternada, leva em consideração o efeito pelicular e o efeito de proximidade [6]. Mas como o efeito de proximidade é, em geral, muito pequeno no caso de cabos nus, utilizamos somente o efeito pelicular no cálculo. A resistência elétrica em CA será: R= RT 1 y S y P 3.27 Onde o fator devido ao efeito pelicular é dado por: ys = X 2S 192 0,8. X 2 S 3.28
40 40 e o fator devido ao efeito de proximidade (aproximadamente zero) por: d 2 1,18 d 2 y P =F X P [ 0,312 ] S 0,27 F X P S 3.29 sendo: X S= X P= F X P = 8.. f.10 4 RT X 2P ,8 X P d = diâmetro do condutor em polegadas S = espaçamento entre as linhas A figura 3.3 mostra a relação entre a resistência elétrica do condutor e o seu diâmetro para diferentes temperaturas.
41 41 Fig. 3.3 Relação entre resistência e diâmetro do condutor Fonte: HOUSE, H. E; TUTTLE, P. D.. Current-Carrying Capacity of ACSR [1] MÉTODO CIGRÉ Assim como o método proposto pelo IEEE, o método do CIGRÉ SC22 WG22-12 [8] também propõem o dimendionamento do condutor utilizando o balanço térmico do condutor com o objetivo de manter o condutor, em condições de operação, a uma temperatura que não atinja a máxima flecha admissível e tampouco atinja valores próximos a temperatura de recozimento do alumínio o que acarretaria perda na força de tração do condutor ou apenas diminuição da vida útil do condutor. Como no método anterior, a temperatura do condutor dependerá da corrente de carga, das
42 42 características elétricas do condutor e dos parâmetros atmosféricos tais como o vento e a radiação solar. A condição de estabilidade térmica é dada quando nenhuma energia térmica é armazenada no condutor, ou seja, todo o aquecimento provocado no condutor é dissipado na atmosfera. Dessa forma a equação de equilibrio térmico é dado por: P J P M P S P i=p c P r P w 3.32 Onde: P J = aquecimento por efeito Joule; P M = aquecimento por magnetização; P S = aquecimento por radiação solar; P i = aquecimento por efeito Corona; P c = resfriamento por convecção; P r = resfriamento por radiação; P w = resfriamento por evaporação. O resfriamento por evaporação não altera significantemente o balanço térmico do condutor. Apenas seria relevante quando o condutor estivesse úmido ou molhado e mesmo assim em um curto espaço de tempo. Este método, assim como o anterior considera que os efeitos relacionados a evaporação podem ser ignorados. Também é ignorado o aquecimento por efeito Corona por ser de ordem de grandeza desprezível em comparação com os demais parâmetros. O aquecimento por efeito Corona apenas seria significante com altos gradientes de tensão na superfície que somente se apresentam durante precipitações e com altas velocidades de vento onde ocorre grande convecção e evaporação. Devido ao fato de que é necessário calcular o máximo nível de corrente baseado em valores médios ou máximos das condições metereológicas estáveis, não seria o caso de incluir esse efeito, devido a sua natureza esporádica.
43 43 Os efeitos de magnetização referem-se ao aquecimento do condutor devido ao fluxo magnético cíclico que causa o aparecimento de correntes parasitas, histerese e viscosidade magnética [9]. Este fenômeno ocorre somente em corrente alternada e é normalmente desprezado para condutores de metal não ferroso. Podem somente ser significativos para condutores com núcleo de aço. Isto ocorre porque, em cabos com alma de aço, um fluxo magnético longitudinal é produzido nos fios de aço pela corrente nos fios de alumínio enrolados ao redor do núcleo. O método apresentado pelo CIGRÉ não leva em consideração este efeito. Além disso, este fator não é de grande importância em subestações pois, na maioria dos casos, cabos de alumínio AAC são usados. A seguir são detalhados os cálculos de cada uma das transferências de calor contidas nesta equação de equilíbrio. Ao final, é possível isolar a corrente I em função dos demais parâmetros. Num processo iterativo semelhante ao utilizado pelo método anterior, determina-se a seção cuja corrente encontrada se aproxima mais da corrente ideal de carga da subestação TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO A superfície quente do contutor aquece o ar adjacente e a densidade do ar aquecido diminui. Então o ar tende a subir, no caso da convecção natural onde a velocidade do vento é considerada zero ( V=0 ) ou é carregado para longe do condutor no caso da convecção forçada ( V 0 ). O ar frio flui substituindo o ar quente e assim resfriando o condutor. Alguns parâmetro são úteis para os cálculos subsequentes. São eles: O número de Nusselt, dado por: Nu=h c D f Onde: h c = coeficiente de tranferência de calor por convecção em W/m²K; c = condutividade térmica do ar dada em W/mK; D = diâmetro externo do condutor. 3.33
44 44 O número de Reynolds: R e= r V D vf 3.34 Onde: V = velocidade do vento em m/s; v f = viscosidade dinâmica em m²/s; r = densidade relativa do ar, dada por r = / 0 ; sendo: = densidade do ar na altitude em questão; 0 = densidade do ar ao nivel do mar; O número de Grashof: Gr= D3 T s T a g 3.35 T f 273 v 2f Onde: T s = temperatura da superfície do condutor; T a = temperatura ambiente; O número de Prandtl: Pr= c f 3.36 Onde: c = calor específico do ar à pressão constante em J / kg K; = viscosidade dinâmica do ar em kg/ms. Equações empíricas podem ser empregadas para o cálculo das variáveis acima [8]. São elas: vf =1, , T f f =2, ,2 10 T f
45 45 Pr =0,715 2, T g =9,807 m/ s Tf =0,5 T s T a 3.41 r =e 1,16 4 y f onde y é a altura acima do nível do mar A transferência de calor por convecção é dada por: P C = f T s T a Nu 3.43 Onde o número de Nusselt é calculado independentemente para o caso da convecção ser forçada ou natural RESFRIAMENTO POR CONVECÇÃO FORÇADA Em operação normal, onde a temperatura da película (filme) de ar sobre o condutor vale T f =0,5 T a T s, o número de Nusselt pode ser representado por: Nu=B1 R e n Onde 3.44 B1 e n são constantes que dependem do número de Reynolds e da rugosidade Rf da superfície do condutor. Essa rugosidade pode ser calculada de acordo com a equação 3.45: Rf = d 2 D d 3.45 Onde d é o diâmetro da camada mais externa do condutor e D é o diâmetro total. Fig. 3.4 Rugosidade do cabo Condutores lisos apresentam área 40 a 45% maior do que condutores trançados. O aumento, considerando o resfriamento por conveção forçada, entre condutores lisos e trançados é a chamada função rugosidade.