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Dep. Electrónica Industrial

TRANSPORTE DE ENERGIA ELÉCTRICATRANSPORTE DE ENERGIA ELÉCTRICAEM CORRENTE CONTÍNUA (HVDC)EM CORRENTE CONTÍNUA (HVDC)

O transporte de energia eléctrica faz-se maioritariamente em corrente alternada, devido à simplicidade de alteração das tensão através de transformadores. No entanto o transporte em corrente contínua tem algumas vantagens:• Redução das perdas nos cabos subterrâneos e submarinos, que possuem capacidades elevadas.• Menor regulação nas linhas aéreas devida à indutância.• Possibilidade de linhas mais longas (nota: λ = c*T; comprimento de onda a 50Hz é 6000km).• Permite transmissão de energia entre sistemas AC não sincronizados ou de frequências diferentes.• Aumento da potência das linhas onde é difícil e caro instalar novos condutores.• Para a mesma potência, as linhas e suportes são menos dispendiosos, pois necessita apenas dois condutores, os cabos podem ser de menor qualidade e o efeito pelicular é desprezável (R aumenta com a frequência).• Aumenta a estabilidade do sistema AC sem aumentar a corrente de curto-circuito.• Redução do efeito de coroa, pois a tensão máxima é 1,414 vezes menor que em AC.

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• Os cabos subterrâneos e submarinos possuem capacidade elevada. Em DC o efeito é desprezável. Em AC, requer correntes mais elevadas para carregar/descarregar as capacidades, aumentando as perdas por efeito de Joule. Além disso, as perdas dieléctricas são muito superiores em AC.• Um sistema HVDC é capaz de transmitir mais energia, pois os valores máximos de tensão são menores, o que determina o espaçamento mínimo entre condutores e a espessura dos isolamentos. Sendo assim é possível aumentar a potência de linhas já existentes.• Como um sistema HVDC é capaz de transmitir energia entre sistemas AC não sincronizados, é possível aumentar a estabilidade da rede evitando que falhas em cascata (“apagões”) se propaguem entre sistemas eléctricos – este factor por si só tem justificado o uso de HVDC por vários operadores de sistemas eléctricos de energia.

Banco de transformadores para HVDC Siemens, em Cabora-Bassa, Moçambique, reparados depois da guerra.

Troço aéreo (12km) da linha HVDC que liga a Alemanha à Suécia. O maior troço é submarino.

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• Possíveis benefícios para a saúde: as linhas DC não produzem, um campo electromagnético ELF (extremely low frequency), tal como produzem as linhas AC. Existem defensores da teoria que a ELF é prejudicial à saúde. No entanto o consenso Científico actual considera que a ELF está confinada às proximidades das linhas AT e que não é especialmente nociva. Além disso, considera que os sistemas HVDC não eliminam de todo o problema.• As linhas AC só podem ligar sistemas com a mesma frequência e com uma diferença de fase que é função da potência a transmitir pelas linhas. Muitas vezes é necessário partilhar energia entre sistemas não sincronizados, como por exemplo Reino Unido, Europa de Norte e Europa Continental. Outras vezes é necessário ligar sistemas com frequências diferentes, como por exemplo no Japão (redes a 50Hz e 60Hz).• Os geradores podem ficar instáveis e dessincronizar, no caso de se situarem numa zona remota, ligada por uma linha longa. A transmissão HVDC pode ser interessante, por exemplo, para ligar parques eólicos distantes (por exemplo no mar – Países Baixos) à rede.

Barragem de Itaipu (rio Paraná) tem 20 geradores de 700MW (14GW). Abastece 95% do Paraguai (60Hz) e 24% do Brasil (50Hz).

Subestação HVDC em Herrenwyk, Alemanha.

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As linhas HVDC também possuem algumas desvantagens:• São necessários conversores estáticos dispendiosos e que não aguentam sobrecargas.• Em distâncias pequenas, as perdas nos conversores electrónicos de potência podem ser maiores do que as perdas nas linhas AC.• Para linhas curtas, os custos de instalação dos conversores de potência não justificam a economia que se faz na instalação das linhas.• É muito complexo fazer linhas com múltiplas ramificações, como é habitual acontecer nas linhas AC.• Fluxo de energia complicado de gerir, requerendo sistemas de controlo que comuniquem entre si, enquanto que nas linhas AC o fluxo é garantido pelas propriedades intrínsecas das linhas.

Actualmente, justifica-se utilizar HVDC nas linhas aéreas com mais de 600 a 800Km e nas linhas submarinas com mais de 50Km.

Será uma solução interessante para linhas (muito) mais curtas num futuro próximo, graças à evolução dos semicondutores de potência(e respectiva redução de custos) e sistemas de controlo?

E para ligação de fontes de energia alternativa à rede (algumas geram corrente contínua)?

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Os sistemas HVDC podem ser dos seguintes tipos:• Unipolar com retorno pela terra: um dos terminais da linha é ligado à terra, o outro está sob alta tensão. O condutor de terra a ligar duas subestações pode existir ou não. No segundo caso a corrente circula pela terra, o que pode provocar corrosão de metais enterrados (tais como condutas); libertação de cloro nos eléctrodos de terra submarinos e campos magnéticos não compensados que podem afectar as bússolas de navegação. As linhas modernas deste tipo incluem um condutor de retorno enterrado, que não precisa de isolamento.• Bipolar: utiliza-se um par de condutores com polaridades simétricas em relação à terra. É mais cara que a unipolar mas tem algumas vantagens: a corrente pela terra é desprezável; se uma linha avariar, pode continuar a funcionar como unipolar; o custo do segundo condutor é reduzido, pois as correntes são metade das linhas unipolares da mesma potência e no caso de terrenos muito acidentados os dois condutores podem ter trajectos distintos. É habitual instalar também um terceiro condutor enterrado de retorno.• Back-to-back: trata-se de uma subestação onde os conversores estáticos estão próximos, tendo a linha apenas alguns metros. Servem para ligar sistemas de frequências diferentes, sistemas de igual frequência mas ângulo de fase independente e sistemas com números de fases distintos (tracção eléctrica, por exemplo). As linhas usam correntes muito elevadas.• Tripolar: (patente) sistema que usa duas linhas da rede AC como HVDC bipolar e a terceira como unipolar. Os condutores bipolares funcionam alternadamente e periodicamente a 37% e 137% do regime nominal, enquanto que o terceiro funciona a 100%. Com este sistema é possível transportar mais 80% da energia nas linhas já existentes para AC, sem as danificar.

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Reparada depois da guerra; usa tirístores

19791920MW533kV1420km-Apollo, África do Sul

Songo, Moçambique

Cabora-Bassa

Ligação a geradores eólicos; usa IGBT’s

20007,2MW9kV-4,3kmTjæreborg, Dinamarca

Tjæreborg, Dinamarca

HVDC Tjæreborg

Sistema multiterminal; usa tirístores

1992300MW200kV304km118kmLucciana, França;

Codrongianos, Itália

Suvereto, Itália

SACOI 2

Rectificadores de vapor de mercúrio até 2006, alterada

para tirístores

1964250MW250kV89km87kmStenkullen, Suécia

VesterHassing,

Dinamarca

Konti-Skan 1

NotasAnoPotênciaTensãoComprimento da linha aérea

Comprimento do cabo

Subestação2

Subestação1

Nome

Rectificadores de vapor de mercúrio (controlados/inversores): rendimento baixo, muito frágeis (ampola de vidro), o mercúrio é altamente poluente.

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Tirístores para HVDC

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Componentes de uma linha de transmissão HVDC:

• Indutores das linhas DC (L)• Filtros de harmónicos do lado DC (Fdc)• Transformadores dos conversores (T1, T2)• Fontes de energia reactiva (Q1, Q2)• Filtros de harmónicos do lado AC (Fac)• Sistema de comunicações entre as estações de conversão• Eléctrodos de terra (Gd)

As linhas HVDC podem ser unidireccionais, se a energia fluir sempre no mesmo sentido (exemplo à esquerda) ou bidireccionais, se for possível o fluxo de energia nos dois sentidos (exemplo em baixo).

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O transporte de energia eléctrica em HVDC é controlado ajustando os ângulos de disparo do rectificador e do inversor das duas subestações.

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