A seleção do cabo aéreo para uma planta fotovoltaica é um aspecto crucial no projeto e na operação eficiente de tais instalações.. O dimensionamento correto do condutor aéreo impacta diretamente na segurança, perdas de energia, custos operacionais, e rentabilidade a longo prazo.
As usinas fotovoltaicas são divididas em usinas fotovoltaicas centralizadas e distribuídas com base em sua capacidade e método de consumo. As usinas centralizadas têm maior capacidade e geralmente são conectadas à rede usando níveis de tensão de 35kV/110kV ou superiores, acessando uma subestação próxima de 35kV/110kV. As subestações de 35kV/110kV geralmente estão localizadas em centros de carga das cidades, a uma certa distância da usina fotovoltaica. Para reduzir custos e melhorar a eficiência, cabo aéreo desencapado normalmente é usado para conectar a planta à subestação.
Ao projetar uma planta fotovoltaica e selecionar cabos, usar um condutor desencapado com seção transversal menor reduz o consumo de metais não ferrosos, reduzindo assim os custos de investimento. Por outro lado, se um condutor com seção transversal maior for usado, a resistência por unidade de comprimento diminui, que reduz as perdas de energia ativa, quedas de tensão, e perdas de energia elétrica, consequentemente reduzindo os custos operacionais. Reduzir as perdas na rede e melhorar a eficiência económica da central fotovoltaica, maximizando a receita de geração de energia, é essencial selecionar corretamente a seção transversal do condutor.
Três condições necessárias para selecionar a seção transversal do condutor
A seleção da seção transversal do condutor aéreo deve garantir a segurança das pessoas, fornecimento de eletricidade confiável, tecnologia avançada, e economia razoável. Tecnicamente, a seleção deve atender aos três requisitos necessários a seguir:
Condição de resistência mecânica
Durante operação de longo prazo, o condutor estará sujeito a várias forças externas, como tensão da linha, o próprio peso do condutor, vento, e peso de gelo acumulado. Para garantir a segurança e confiabilidade da operação do condutor, é necessário que tenha resistência mecânica suficiente. Os regulamentos estabelecem que para garantir a resistência mecânica das linhas de energia, a seção transversal do condutor não deve ser inferior aos valores indicados na tabela a seguir:
| Tipo de condutor | Através de áreas residenciais | Através de áreas não residenciais |
|---|---|---|
| Cabo trançado de alumínio e liga de alumínio | 35 | 25 |
| Cabo trançado com núcleo de aço | 25 | 16 |
| Cabo de cobre | 16 | 16 |
Condição de aquecimento
Quando a corrente flui através do condutor, aquece devido à resistência. Para evitar que o condutor queime ou envelheça prematuramente devido ao superaquecimento, e para garantir sua operação segura e confiável a longo prazo, também deve atender às condições de aumento de temperatura. Aquilo é, a corrente máxima de carga contínua que flui através do condutor deve ser menor que a corrente contínua segura de longo prazo permitida. A norma estabelece a corrente contínua segura de longo prazo para uma temperatura ambiente de 25°C, como mostrado na tabela a seguir:
| Corte transversal / mm² | 35 | 50 | 70 | 95 | 120 | 150 | 185 | 240 | 300 | 400 | 500 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LJ | 170 | 215 | 265 | 325 | 375 | 440 | 500 | 610 | 680 | 830 | 980 |
| LGJ | 170 | 220 | 275 | 335 | 380 | 445 | 515 | 610 | 700 | 800 | – |
| LJGQ | – | – | – | – | – | – | 510 | 610 | 710 | 845 | 966 |
Condição de Efeito Corona
Em linhas aéreas de alta tensão, a intensidade do campo elétrico circundante é alta. Isto pode induzir a ocorrência de descargas parciais ou completas, aumentando as perdas de energia, gerando interferência de comunicação, e acelerando a oxidação do equipamento. Para evitar o efeito corona, a intensidade do campo elétrico no ar circundante deve ser reduzida aumentando a seção transversal do condutor. Quando o nível de tensão está abaixo de 60kV, um efeito corona completo não ocorre devido à baixa tensão operacional e baixa intensidade do campo elétrico. No entanto, quando o nível de tensão for igual ou superior a 110kV, a seção transversal mínima necessária do condutor para evitar o efeito corona é a seguinte:
| Tensão Nominal / kV | 110 | 220 | 330 |
|---|---|---|---|
| Seção Mínima do Condutor | LGJ-70 | LGJ-300 | LGJ-2×240 |
Método de seleção da seção transversal do condutor 1: Método de Densidade Econômica de Corrente
Ao considerar a economia na seleção da seção transversal do condutor, é necessário contabilizar principalmente o investimento na construção da linha e os custos operacionais anuais, que são baseados principalmente em perdas de energia. Para garantir a viabilidade econômica da seleção de condutores, deveria basear-se na densidade da corrente económica. Depois de considerar exaustivamente os princípios do benefício global (investimento, custos operacionais, taxa de recuperação de investimento, taxa de depreciação), a corrente mais econômica correspondente a uma seção transversal unitária do condutor é chamada de densidade de corrente econômica. Isso está relacionado ao material condutor, o coeficiente de utilização da linha, e o valor do investimento. Na prática, é determinado com base no material do condutor, as horas de utilização máxima da carga, e a tensão nominal, como mostrado na tabela. A seção transversal selecionada de acordo com a densidade de corrente econômica é chamada de seção transversal econômica, definido como:
Sj = Imax / J.
- Sj: Seção econômica
- J.: Densidade atual econômica
- Imax: Corrente máxima de operação do condutor em condições normais
| T(máx.)/h | 2000 | 3000 | 4000 | 5000 | 6000 | 7000 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LJ Maestro de 10 kV ou menos | 1.44 | 1.18 | 1.00 | 0.86 | 0.76 | 0.66 |
| Maestro LGJ de 10 kV ou menos | 1.70 | 1.38 | 1.18 | 1.00 | 0.88 | 0.78 |
| Maestro LCJ de 35 kV ou mais | 1.86 | 1.50 | 1.26 | 1.08 | 0.94 | 0.84 |
Exemplo de seleção de cabo aéreo para uma usina fotovoltaica
Cenário Real
Por um solução de cabo fotovoltaico, em uma linha aérea de 35kV, é usado um cabo trançado de alumínio com núcleo de aço e circuito duplo, com um comprimento de 15 km e uma carga máxima de 16 MW no final. O fator de potência médio é 0.9, e uma queda de tensão máxima permitida de 5% em condições normais é permitido. A seção transversal do condutor precisa ser selecionada.
Plano de Seleção
A seção transversal do condutor será selecionada com base na densidade de corrente econômica, e então será verificado de acordo com as três condições necessárias e a queda de tensão permitida.
Corrente máxima de operação:
Imáx = (P / 2) / (1.732 × ONU × cosθ) = (16000 / 2) / (1.732 × 35 × 0.9) = 146.63 UM
Com uma corrente operacional máxima (Imax) de 146.63 A e Tmáx de 2000 horas, a tabela indica que a densidade atual econômica (J.) é 1.65 A/mm². Portanto, o corte transversal econômico é:
Sj = Imax / J = 146.63 / 1.65 = 88.87 mm²
A seção transversal mais próxima é selecionada: Driver LGJ-95, com parâmetros ro + jxo = 0.332 + j0,4 Ω/km e uma corrente contínua segura de longo prazo de 335 UM.
Verificação
- Resistência Mecânica:
S = 95 mm² > E = 25 mm²
Atende aos requisitos. - Condição de aquecimento:
Como a linha de circuito duplo pode operar em um único circuito, a corrente na linha aumenta, gerando mais calor. Este é o cenário operacional mais crítico. Na verificação de temperatura, este modo de operação deve ser considerado:
Imáx = 2 × 146.63 UMA = 293.26 UM < Eu = 335 UM
Atende aos requisitos. - Condição de Efeito Corona:
Como a linha é 35 kV, não é necessário verificar a condição do efeito corona. - Queda de tensão:
ΔU = (P × R + Q×X) × eu / você = 1.80 kV
U% = 1.80 / 35 = 5.15% > 5%
Não atende aos requisitos, então a seção transversal do condutor deve ser aumentada. O condutor LGJ-120 é selecionado, com parâmetros ro + jxo = 0.236 + j0,421 Ω/km e uma corrente contínua segura de longo prazo de 380 UM.
Nova verificação:
- Resistência Mecânica:
S = 120 mm² > E = 25 mm²
Atende aos requisitos. - Condição de aquecimento:
Imáx = 2 × 146.63 UMA = 293.26 UM < Eu = 380 UM
A tabela mostra que o condutor LGJ-120 possui uma corrente segura máxima de 380 A em modo de falha, maior que a corrente máxima no condutor, então atende aos requisitos. - Condição de Efeito Corona:
Como a linha é 35 kV, não é necessário verificar a condição do efeito corona. - Queda de tensão:
ΔU = (P × R + Q×X) × eu / você = 1.60 kV
U% = 1.60 / 35 = 4.57% < 5%
Atende aos requisitos.
Portanto, o condutor aéreo selecionado LGJ-120 é adequado.
Conclusão
A seleção adequada do cabos em uma usina fotovoltaica é essencial para garantir segurança e eficiência. Considerando os três critérios principais – resistência mecânica, aquecimento, e condições corona – é garantido que o condutor resistirá às demandas físicas e térmicas, minimizando perdas de energia e otimizando custos operacionais.
A utilização do método da densidade económica de corrente permite equilibrar o investimento inicial e os custos a longo prazo. Ajustando a seção transversal do condutor para atender aos requisitos técnicos e evitar quedas de tensão, a operação eficiente e econômica da instalação é garantida, maximizando seu desempenho e durabilidade.