REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10011807
Hitchely Gomes Dias1
Vanessa Cristina Lopes Santos2
RESUMO
Este trabalho acadêmico tem como objetivo de apresentar uma comparação entre as tecnologias de corrente contínua e corrente alterna, voltada para a área de transmissão de energia. Considerando a relevância de um sistema de potência, são exploradas as características especí cas de cada tecnologia para as linhas de transmissão, de forma que leitor consiga identi car os pontos que se sobressaem em cada uma delas.
Palavras chave: Corrente contínua, Corrente alternada, tecnologia, sistema de potência e transmissão de energia.
1. Introdução
A disputa entre as tecnologias de corrente contínua e a de corrente alternada ocorreu no século XIX, a chamada “Guerra das correntes” teve como os principais protagonistas Thomas Edson, defensor da corrente contínua e Nicola Tesla, defensor da corrente alternada. Esses dois grandes inventores se envolveram em uma acirrada disputa, para demostrar o melhor modo de trabalhar com a energia elétrica, após uma série de atritos e con itos de interesses entre os envolvidos, a corrente alternada acabou se sobressaindo, por apresentar algumas vantagens, assim como, devido a algumas limitações técnicas que a corrente contínua possui naquela época, já que a energia era consumida na mesma tensão em que era produzida e era necessário a instalação de centrais elétrica próximas umas das outras, o que acabava gerando mais um transtorno para a corrente contínua.
A corrente alternada foi se expandindo e acabou conquistando cada vez mais espaço e a con ança do mercado, se estabelecendo como a principal tecnologia para a transmissão de energia elétrica no mundo todo. Com o passar dos anos, ambas as tecnologias CC e CA foram evoluindo e se desenvolvendo cada vez mais.
Por conveniência é muito comum que as usinas que geram energia elétrica estejam instaladas em regiões mais afastadas dos grandes centros urbanos, o trajeto a ser percorrido pela energia elétrica gerada nessas usinas é a Linha de Transmissão, que exercem um trabalho de grande relevância, sendo que elas são compostas resumidamente pelos cabos, isoladores, torres de transmissão e aterramentos.
Este artigo buscará apresentar as características de transmissão em corrente contínua e em corrente alternada, assim como, uma comparação entre os dois sistemas de forma que possa auxiliar na escolha da melhor tecnologia a ser utilizada, mesmo que os resultados que irão ser encontrados não tenham sidos implantados em um sistema de potência real, eles possam ser su cientes para uma comparação fundamentada em uma boa literatura. Considerando a evolução tecnológica ao longo dos anos, atualmente qual é a forma mais adequada para transmissão de energia elétrica?
2. Referencial Teórico
O sistema de transmissão de energia deve atender toda a demanda da população, ou seja, tem que acompanhar o desenvolvimento e o crescimento populacional, da mesma forma seguir a expansão industrial, que exige uma enorme quantidade de potência. E para atender toda essa demanda de energia elétrica, o Brasil utiliza o Sistema Interligado Nacional, que é conhecido como SIN, esse sistema de produção e transmissão de energia abrange quase todo o país e é formado por várias empresas privadas e estatais.
Dessa forma diversas questões técnicas precisam ser solucionadas para que a energia possa ser transmitida de forma segura e con ável, e não haja interrupção do serviço. Essas questões técnicas vão além dos dimensionamentos elétricos, passando por cálculos mecânicos, uma vez que, as torres e suas estruturas devem aguentar o peso dos cabos e suportar situações de ventos fortíssimos.
O estudo de transmissão de energia é fundamental para que o processo esteja sempre em busca de melhorias e otimização, pois o objetivo é reduzir ao máximo as perdas que ocorrem no transporte de energia, viabilizando cada vez mais o serviço prestado, de forma que ele possa ser oferecido com qualidade e sem interrupções, a m de que as concessionárias não sofram punições dos agentes reguladores.
2.1 Equipamentos
2.1.1 Cabos
São os condutores responsáveis por realizar o transporte de energia elétrica através da passagem da corrente. Geralmente eles são feitos de cobre ou alumínio, alguns ainda podem conter aço. O alumínio é mais leve e mais barato em relação ao cobre, porém possui uma condutividade inferior, por isso é necessária uma seção condutora maior para compensar. Ao aumentar a seção do condutor as perdas serão reduzidas, porém eleva bastante o custo da instalação.
É importante ressaltar que o os cabos sobrem uma deformação causada pelo seu peso, por isso o comprimento da linha é um pouco maior que a sua extensão, conforme demostra a gura 01.
Também é muito importante citar as características de um bom condutor que são a alta condutividade, baixo custo, baixo peso, boa resistência mecânica e resistência a oxidação, tudo isso deve ser considerado no momento da escolha do condutor.
Figura 01 – Deformação do Condutor
2.1.2 Torres
São basicamente grandes estruturas metálicas, sendo que cálculos mecânicos e estruturais devem ser realizados para determinar o peso dessas torres, assim como sua geometria. O solo onde ela será instalada também deve ser considerado para cálculos, uma vez que a estrutura será instalada em diferentes tipos de solos.
As torres possuem como principal função apoiar os cabos elétricos que realizam o transporte de energia elétrica além de sustentar para-raios. Elas garantem também uma distância mínima adequada de segurança dos condutores.
2.1.3 Isoladores
Consistem em materiais que geralmente são feitos de cerâmica, vidro ou polímeros. São encontrados nas torres e no interior das subestações, sua principal função é evitar a passagem de corrente do condutor ao apoio ou suporte. Isoladores também são capazes de sustentar mecanicamente cabos e barramentos.
Quanto maior a quantidade de condutores adotados na transmissão, maior também será a quantidade de isoladores a serem utilizados.
2.1.4 Transformadores
São equipamentos que funcionam apenas para corrente alternada, já é que necessária variação de uxo magnético para o seu funcionamento. São dispositivos elétricos capazes de transmitir energia ou potência elétrica entre circuitos.
Em subestações existem transformadores de potencial e de corrente, que atuam em conjunto com os dispositivos de proteção como disjuntores, além de fazer o monitoramento de corrente e potência, para eventuais cobranças da concessionária.
Existem também os transformadores de tensões, que são responsáveis por receber a alta tensão das linhas de transmissão e reduzi-las à quantidade desejada.
2.2 Parâmetros Elétricos da Linha de Transmissão
O sistema elétrico de potência possui alguns parâmetros longitudinais e transversais que interferem na linha de transmissão, sendo que compreender e analisar claramente esses dados é um grande desa o para a engenharia elétrica. Esses parâmetros in uenciam diretamente no desempenho da linha de transmissão, eles são formados pela resistência, a indutância, a capacitância e a condutância.
A condutividade é uma característica especí ca que cada material apresenta, por isso o condutor deve conter a menor resistência possível, sendo que quanto maior é o comprimento da linha e quanto menor é seção do condutor, maiores serão as perdas.
Em uma linha transmissão irá ocorrer uma indutância interna e externa ao condutor, já que cada fase do circuito exerce uma in uência nas demais fases, dessa forma, a indutância total de uma fase é a soma dessas indutâncias. Também é importante destacar que quanto mais longa é linha, maior é a indutância, portanto maior será impedância. A resistência mais a indutância, formam a impedância longitudinal que é descrita pela formula Z= R + jωL.
A capacitância é a capacidade de armazenamento de energia e
ao contrário do que ocorre com a indutância, os condutores não possuem capacitância interna. O fenômeno da capacitância irá ocorrer ao longo da linha entre os condutores, uma vez que, os cabos estão paralelos, também irá ocorrer entre o condutor e o solo, simulando o comportamento de um capacitor.
A capacitância juntamente com a condutância forma a admitância transversal, que é representada pela formula Y= G + jωC. A condutância está relacionada a fuga de corrente nos isolantes, ela ocorre em pequena proporção, porém em situações atípicas como o caso em que os isolantes estão com acumulo de poeira e venha ocorrer uma chuva molhando os isolantes, a corrente fuga pode alcançar valores mais altos, causando perdas consideráveis.
2.3 Transmissão em Corrente Contínua ou HDVC
A tecnologia em corrente alternada atingiu um alto grau de con abilidade e e cácia, mais mesmo assim existem diversos pontos em que a alternativa em corrente contínua pode supera-la em vários aspectos. Hoje são várias as vantagens da rede HVDC, tudo dependerá do modo em que o sistema será aplicado, pode ser mais vantajoso ambientalmente, tecnicamente e até mesmo economicamente a utilização da tecnologia HVDC, entre seus aspectos técnicos temos a conversão transmissão de potências entre duas redes que funcionam em frequências diferentes fazendo a sincronização das mesmas, além disso pode ser usada a amortecer as oscilações nas redes AC e melhorar a estabilidade do sistema.
Levando em consideração os aspectos econômicos as estações HVDC, tendem a serem melhores quando comparada com a AC a sua transmissão onde você tem menores torres, menores ruídos e com a ausência do efeito Skin e perdas por reatâncias capacitivas e indutivas na linha, é possível utilizar condutores mais leves e de diâmetros menores. Para o mesmo nível de redundância, dois condutores em DC substituem dois sistemas trifásico, ou seja, seis condutores, como ilustra a Figura 02.
Figura 02 – Linha trifásica comparada a uma linha HVDC.
3. Metodologia
Para que o conhecimento seja estimulado e desenvolvido, foram realizados levantamentos bibliográ cos e análises de exemplos para melhorar a compreensão e a abordagem, se tratando então de uma pesquisa exploratória e bibliográ ca.
Gil, Antônio Carlos, 4ed de ne esses dois tipos de pesquisas como:
Exploratória: proporciona maior familiaridade com o problema, com vistas a torná-lo mais explícito ou a constituir hipóteses.
Bibliográfica: desenvolvida com base em material já elaborado, constituído principalmente de livros e artigos científicos.
4. Resultados e Discussão
Tendo uma visão ampla e aprofundada do assunto, podemos chegar ao ponto de dizer que a transmissão em corrente contínua tem vantagens sobre a transmissão em corrente alternada em algumas situações, como a transmissão em longa distância e para sistemas assíncronos. Além disso foi constatado algumas desvantagens que podem ser facilmente mensuradas como um alto preço na sua tecnologia devido a mesma ainda está sendo aperfeiçoada e o acréscimo da mesma.
4.1 Vantagens da CC sobre a CA
Se compararmos uma transmissão em CC e CA podemos notar que ambos conduzem a mesma potência, onde o único diferencial e que a CC bifásico utilizaria somente 2 cabos enquanto a CA trifásico utilizaria 3 cabos. Isso impactaria diretamente não somente no gasto com cabos mais também em um menor impacto ambiental como pode ser visto na tabela a seguir.
Figura 04 – Tabela representando o número de linhas em paralelo para transmitir 7000MW
Além das vantagens descritas acima temos inúmeras vantagens que poderão ser destacadas:
- Operação dos cabos em um maior gradiente;
- Alta controlabilidade de potência transmitidas;
- Sem efeitos peculiares;
- O retorno pode ser feito pela terra, e assim cada condutor pode ser operado independentemente;
4.2 Análise Comparativa Entre os Custos da CA e CC
Tendo em vista tudo que foi proposto podemos de nir alguns pontos, para comparação entre a CA e a CC, antes disso podemos citar as seguintes projeções onde o principal equipamento da estação CC e a ponte conversora que pode chegar até 50% do valor do projeto e vai ser usada como principal fonte de comparação.
Basicamente na CA os custos das linhas predominam enquanto os custos das estações são pequenos, já na CC os custos das linhas são menores do que das estações. Em uma comparação direta as estações tem um custo mais elevado na CC e suas linhas tem um custo bem inferior por Km, mais comparado com isso a transmissão em CA tem um custo menor em menores distâncias, já que seu custo por Km se torna alto tendo a necessidade de estações a uma certa quilometragem percorrida.
Figura 04 – Análise econômica da comparação entre transmissão CA X CC
Os custos com perdas elétricas também são um grande problema tanto na transmissão de CA quanto em CC, além disso a distância entre as transmissões aumenta a diferença entre seus custos, quando as retas como especi cado na gura 04 se encontram em um ponto denominado Break-Even o custo da transmissão CA acaba ultrapassando o da CC, essa distância pode variar de 800 Km a 1000 Km para linhas aéreas e 48 a 60 para submarinas.
5. Conclusões
Mediante ao estudo realizado, comparando as tecnologias de transmissão aqui apresentadas sob aspectos ambientais, econômicos e técnicos, já se tem base para entender e analisar qual escolha os engenheiros podem fazer em relação à tecnologia de transmissão a ser utilizada em determinado empreendimento.
Comparando os aspectos apresentados, como o econômico temos que levar em consideração que as subestações conversoras ou HVDC são bem mais caras que as subestações de transformação AC. Com isso temos também algumas regras que em distancias >1000 e mais viável a implantação de subestações HVDC.
Mesmo ambas as linhas de transmissão tendo um alto grau de con abilidade, a HVDC tem desempenho mais satisfatório comparado com a HVAC, de acordo com o indicador FEU a rede HVDC tem 43,7% melhor desempenho.
Em resumo a isso tudo e aos resultados obtidos podemos concluir que as linhas de transmissão HVDC justi cam o crescimento de sua utilização em todo o mundo além de serem um grande avanço tecnológico a ideia e que nos próximos anos com a implementação da mesma os custos das estações conversoras diminuam bastante.
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