Baixe Efeito Corona e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAPÁ PRÓ-REITORIA DE ENSINO DE GRADUAÇÃO CURSO DE BACHARELADO ENGENHARIA ELÉTRICA MARLÚCIO ANDERSON DA CONCEIÇÃO TRAJANO ESTUDO DO EFEITO CORONA E OUTROS EFEITOS Macapá-AP 2011 I INTRODUÇÃO Atualmente, um dos maiores problemas a ser enfrentado pela engenharia elétrica no que diz respeito a transmissão de energia se dá exatamente com a perda de potencia ao longo das linhas de transmissão. Segundo informações atualizadas do panorama elétrico brasileiro, o nosso sistema elétrico apresenta perdas técnicas da ordem de 15%, o que traduzido em potencia fica em torno de 54 milhões de MWh que ocorre desde a eletricidade que é gerada nas usinas, passando pelas linhas de transmissão e redes de didtribuição até chegar na tomada do consumidor final. Se fosse adotado o padrão internacional para perdas de energia, que chega ate 6% o Brasil teria um ganho de disponibilidade de energia elétrica de 33 milhões de MWh, equivalente ao que produz em um ano uma usina elétrica de 6500 MW de potencia instalada (o mais da metade da produção da usina de Itaipu). As medidas necessárias para promover esta reduação destas perdas consistem basicamente no melhor isolamento nas linhas e na substituição de equipamentos antigos ou defeituosos, como os transformadores. Elas representam custos muito menores do que os investimentos para a construção de novas usinas. Longe das medidas politicas e econômicas, é interessante conhecer e minimizar as perdas de potencia que ocorre nas linhas de transmissão por efeitos eletrofisicos. A engenharia elétrica tem a missão de conhecer tais efeitos para poder trata-los de forma adequada minimizando seus efeitos, buscando a otimização da distribuição elétrica. Este trabalho mostrara um estudo não muito profundo a respeito dos principais efeitos causadores de perda de potencias na LT‟s: Corona, Pelicular, Hall e Ferranti. adicional. Se esta energia for suficiente para, no choque com um átomo, receber energia adicional suficiente para sua ionização, o átomo neutro libera outro elétron, aumentando a quantidade de elétrons no meio. 5. Os elétrons liberados pela ionização dos átomos são atuados pelo campo elétrico, podendo, com a liberação de elétrons, aumentarem a “cascata” da proporção de partículas ionizadas, se o campo elétrico for uniforme e a distância entre elétrons muito elevada. 6. Numa parte dos choques com outras partículas, os elétrons ficam “absorvidos” pelo átomo, formando-se um íon negativo, mas de massa elevada, portanto pouco “efetivo” para a progressão de ionização. Por outro lado, se o gás estiver significantemente ionizado, numa parte dos choques dos elétrons com íons positivos, ocorre a formação de um átomo neutro. 7. Os elétrons e íons, positivos e negativos, sob a ação do campo elétrico, adquirem uma velocidade resultante na direção do campo elétrico. Devido a diferença de massas e de características quanto a choques e interação com outras partículas, a velocidade das cargas positivas e negativas, em sentidos opostos, é diferente. Fica-se com uma carga espacial resultante, que altera a distribuição local do campo elétrico, mesmo com tensão entre eletrodos constante, modificando, portanto o campo elétrico e as condições de absorção de elétrons. 8. Numa parte das reações ocorre emissão de fótons, no qual parte interage com outras partículas, com mecanismos de absorção, emissão ou eventual ionização. 9. A incidência de elétrons, íons e fótons nos eletrodos metálicos origina emissão de íons na superfície dos eletrodos, dependendo do material e do estado da superfície dos eletrodos. 10. Há ainda alguns mecanismos de ionização associados a “composição de efeitos”, por exemplo, de mais de um choque entre partículas, “ressonâncias” de comportamento atômico e ionização “residual” do ar por mecanismos externos. Basicamente, podemos resumir de forma mais clara, o comportamento do efeito: - Descargas elétricas em gases são geralmente iniciadas por um campo elétrico que acelera elétrons livres aí existentes; - Quando esses elétrons adquirem energia suficiente do campo elétrico, os mesmos podem produzir novos elétrons a partir do choque com outros átomos. É o processo de ionização por impacto; - Durante a sua aceleração no campo elétrico, cada elétron livre colide com átomos de oxigênio, nitrogênio e outros gases presentes, perdendo, nessa colisão, parte de sua energia cinética; - Ocasionalmente, um elétron pode atingir um átomo com força suficiente, de forma a excitá-lo; - Nessas condições, o átomo atingido passa a um estado de energia mais elevado. O estado orbital de um ou mais elétrons muda e o elétron que colidiu com o átomo perde parte de sua energia, para criar esse estado; - Posteriormente, o átomo atingido pode reverter ao seu estado inicial, liberando o excesso de energia em forma de calor, luz, energia acústica e radiações eletromagnéticas; - Um elétron pode igualmente colidir com um íon positivo, convertendo-o em átomo neutro. Esse processo, denominado recombinação, também libera o excesso de energia. Corona em Condutor positivo: O coroa em torno de um catodo cilíndrico é distribuído uniformemente. Ocorrem impulsos de pequena amplitude, associados a “flâmulas” e “microdisrupções”. Por vezes as microdisrupções são desencadeadas por flâmulas, ou vice-versa, e na formação e freqüências dos dois mecanismos têm importância a carga espacial e a geometria da “ponta” do eletrodo. Para campos mais intensos, cessa a formação de flâmulas, atingindo-se uma condição estacionária resultante da sobreposição de microdisrupções. Corona em Condutor negativo: O coroa em torno de um anodo cilíndrico é caracterizado pela irregularidade, comparado ao coroa positivo. A partir do limiar de campo elétrico, em pontos distintos, ocorrem os denominados impulsos de Trichel. Conforme se aumenta a tensão no sistema, aumenta-se a amplitude e freqüência destes impulsos. 1.3. Diferença de Efeito Corona entre CA e CC O regime sinusoidal nos cabos de corrente alternada produz efeitos completamente distintos à corrente contínua. O campo alternado não permite o desprendimento de grande parte dos íons, ficando estes próximos ao condutor, ao contrário do campo contínuo, onde os íons espalham-se pelo campo (essencialmente) e para fios paralelos, a distâncias muitos superiores ao diâmetro, e com outros objetos a distância dos condutores muito superior à distância entre eles: sendo o campo elétrico superficial limite para a ocorrência do efeito, r o raio do condutor, m o fator de superfície (ou de forma) e a densidade relativa do meio. Neste modelo assume-se que o efeito ocorrerá de forma uniforme ao longo do condutor, sendo na realidade inicializado próximo às imperfeições (mossas, defeitos, danos em geral, gelo, partículas devido a poluição, etc). O efeito também é alterado pela própria forma canelada do condutor. Modelo de Whitehead: Sendo contemporâneo de Peek, Whitehead (1910) obteve uma fórmula no mesmo molde: Modelo de Tikhodeyev: Tikhodeyev (1976) apresentou uma proposta de fórmula, aplicada aos condutores em corrente contínua: Este trabalho, feito com menos rigor ao de Peek (1929), apresenta desvios inferiores a 4%. Entretanto, com a imprecisão relativa ao parâmetro m, este desvio torna-se pouco significativo. Modelo de Portela e Santiago: O trabalho de Portela e Santiago (1991) apresenta uma formulação alternativa, neste caso obtendo o raio do condutor, , no qual o campo elétrico superficial especificado é crítico: sendo . Esta formulação provou-se mais adequada na extrapolação do raio tendendo ao infinito, tendendo a uma superfície plana, no qual se conhece seu campo elétrico de ruptura, da ordem de . Comparação entre os modelos: 1.5. Medidas de Atenuação Toda a energia liberada ou irradiada deve provir do campo elétrico da linha, portanto, do sistema alimentador, para o qual representa perda de energia, por conseguinte, prejuízo. Essas perdas e suas conseqüências econômicas tem sido objeto de pesquisas e estudos há mais de meio século, não obstante, só recentemente se alcançaram meios que permitem determinar, com razoável segurança, qual o desempenho que se poderá esperar para as diversas soluções possíveis para uma linha de transmissão, no que diz respeito a essas perdas. De um modo geral, elas se relacionam com a geometria dos condutores, tensões de operação, gradientes de potencial nas superfícies dos condutores e, principalmente, com as condições meteorológicas locais. Constatou-se, por exemplo, que as perdas por corona em linhas em tensões extra-elevadas podem variar de alguns quilowatts por quilometro até algumas centenas de quilowatts por quilometro, sob condições adversas de chuva ou garoa. As perdas médias, como se verificou, podem constituir apenas pequenas partes das perdas por Quanto maior a freqüência da onda, maior será a concentração da corrente na superfície. Além disto, a resistência elétrica do condutor, suas dimensões e forma geométrica também influenciam na distribuição da mesma.‟ Na transmissão de energia por meio de corrente alternada (CA), o Efeito Pelicular tem uma importante influência na perda de potência da linha. Devido a frequência da corrente, que no caso do Brasil o sistema interligado opera a 60 Hz, a densidade da corrente não é uniforme no condutor e sim variando com o raio em sua seção transversal. Com o fluxo de elétrons maior nas áreas da periferia do condutor e menor próximo ao centro, a área efetiva por onde a corrente passa diminui, aumentando a resistência e conseqüentemente a perda de energia por efeito Joule. Em virtude da corrente elétrica diminuir ao se aproximar do centro do condutor, muitos cabos utilizados em Linhas de Transmissão, possuem uma Alma de Aço ou Alma de Alumínio Liga para aumentar a resistência à tração dos cabos. Em transmissão de energia por corrente contínua (CC) a corrente se distribui de forma uniforme no condutor e mesmo operando com correntes de valor mais alto que em relação à transmissão CA, o Efeito Pelicular é nulo devido a ausência de frequência. O efeito Skin varia não só com a frequência da corrente, mas também com o tipo do material que está sendo utilizado. Em geral, para transmissão de energia é utilizado condutor de alumínio devido ao preço e pelas suas características mecânicas, porém o cobre é muito utilizado em instalações elétricas. Na frequência de 60 Hz que é a utilizada pelo Brasil no sistema interligado, a diferença entre os dois principais condutores utilizados é pequena. Porém, podemos perceber que ao aumentar a frequência da corrente, o condutor de cobre sofre mais com o Efeito Pelicular. 2-3 Medidas atenuativas Existem diversas formas de atenuarmos os efeitos criados pela frequência no fio. Um método bastante utilizado em altas frequências é a utilização de um cabo chamado de Fio Litz (do alemão Litzendraht) ou fio trançado. Ele é formado por vários fio menores isolados e entrelaçados num padrão de modo que o campo magnético dos fios faça com que a corrente total seja distribuída igualmente entre eles. A ideia é que o efeito pelicular tem pouco efeito em fios finos, não sofrendo o mesmo aumento de resistência da corrente alternada que um condutor sólido com a mesma seção transversal dos fios trançados, causado pelo efeito pelicular. Esses fios são frequentemente utilizados em bobinas dos transformadores de alta frequência, como forma de aumentar a sua eficácia, atenuando o efeito pelicular. Nas linhas de transmissão aéreas de corrente utilizasse frequentemente cabos de alumínio com alma de aço, não afetando na condução a maior resistência do núcleo de aço, uma vez que está localizado numa região em que a corrente é ínfima, causado pelo efeito pelicular. Em outras aplicações, condutores sólidos são substituídos por tubos, completamente dispensando a porção interior do condutor onde pouco a corrente flui. Isto dificilmente afeta a resistência CA, mas reduz consideravelmente o peso do condutor. E por fim a outra coisa „que podemos fazer em condutores sólidos ou tubulares é banhá-los com prata, tirando proveito da maior condutividade da mesma. Esta técnica é particularmente utilizada para frequências entre a VHF e as micro-ondas, frequências onde à profundidade pelicular é pequena, sendo necessária apenas uma camada muito fina de prata, fazendo a melhoria na condutividade muito rentável. Revestimentos de prata ou de ouro são similarmente utilizados na superfície de guias de onda utilizados para a transmissão de micro-ondas. Esse método reduz a atenuação de propagação da onda devido a perdas resistivas que surgem quando aparecem correntes parasitas. CONCLUSÃO Sistema solares conectados à rede são economicamente viáveis e diversificam a matriz energética e evitam problemas de perdas por transmissão. Sua implementação pode ser um tanto difícil, dependendo da escolha dos componentes que irão constituir o sistema.Como dimensionar os módulos com os inversores , onde é preciso que ocorra o casamento para configurar os módulos tanto em série como em paralelo; respeitando assim os parâmetros elétricos do inversor e também do FDI.