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1 Estudo Regionalizado do Balanço de Cadeias de Isoladores devido à Ação do Vento Maurissone Ferreira Guimarães – CEMIG D

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Estudo Regionalizado do Balanço de Cadeias de Isoladores devido à Ação do Vento

Maurissone Ferreira Guimarães – CEMIG D

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Sumário

Projeto P&D 159

Ângulo de balanço no projeto de Linhas Aéreas

Monitoramento do ângulo de balanço

Abordagem via estudo de Camada Limite Atmosférica - CLA

Resultados Alcançados

Considerações finais

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Sumário

P&D 159 “Estudo regionalizado da ação do vento no balanço de cadeias de isoladores para projeto de coordenação de isolamento de linhas aéreas de transmissão”

Parceria:

Objetivos macros: •Desenvolvimento de um protótipo de sensor de balanço

•Introdução de conceitos de Camada Limite Atmosférica nos estudos de coordenação de isolamento

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Problema Básico do Balanço de Cadeia

O balanço da cadeia de isoladores é resultado da ação de uma carga de vento atuando sobre o comprimento total de um dado vão

O vento é fator de projeto de linhas para:

Determinação de distâncias mínimas do condutor à estrutura (ângulo máximo e médio)

Geometria de topo de torre (dimensionamento eletrogeométrico)

Distâncias de segurança (faixa)

Abordagem experimental vs cálculo...

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Medição e Cálculo do Ângulo do Balanço

ângulo de balanço da cadeia;

massa específica do ar (kg/m3);

VR velocidade do vento (m/s);

Cc coeficiente de arrasto para cabos;

D Diâmetro do condutor (m);

p peso unitário do condutor (N/m);

Si área da envoltória da cadeia de isoladores (m2);

Ci coeficiente de arrasto para isoladores;

Pi peso da cadeia de isolares (N);

Vv vão de vento (m);

Vp vão de peso (m);

K Fator de efetividade do Vento

2/

2/)2/(2/ 2R

2R1

ip

iivc

PpV

SCVDVCVKtg

Medições na Alemanha realizadas por Hornisgrinde (década de 70)

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K: Fator de efetividade do Vento

vp VpV

DVKtg

/

22R1

Ângulo médio: sobretensões de frente rápida (descargas atmosféricas)Ângulo máximo: sobretensões em frequência industrial (60 Hz)

Medição e Cálculo do Ângulo do Balanço

Necessidade de ajustes nos modelos de cálculo (em discussão na revisão da norma NBR 5422)

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QuestãoQual sensor usar para medir o deslocamento da

cadeia?

Tecnologia do sensor de Balanço

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Tecnologia do sensor de Balanço

O sistema de medição de ângulo é composto basicamente por uma plataforma inercial denominada IMU (Inertial Measurement Unit).

Plataformas inerciais são utilizadas normalmente em sistemas de navegação de aeronaves, satélites, automóveis, mísseis, etc.

Através da combinação acelerômetros e girômetros, o IMU possibilita determinar o estado inercial de qualquer sistema ao qual esteja acoplado.

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Sensor de balanço- funcionamento

coscos

cossin

sin

gA

gA

gA

z

y

x

cosarcsin

arcsin

g

A

g

A

ya

xa

cos

cos

cos

sin

sincos

costansintan

rq

rq

rqp

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Plataforma inercial IMU Spark Fun Eletronics:a)circuito transmissor com sensores,b)circuito receptor.

Sensor de balanço - IMU

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Montagem experimental em laboratório: (a) câmera digital; (b) sensor de umidade e temperatura; (c) sensor de radiação solar; (d) sensor de velocidade de vento;(e) sensor ângulo de balanço

Sistema de monitoramento em tempo real - Arquitetura

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Fixação do sistema de monitoramento na torre:

(A) sensor ângulo de balanço; (B) câmera digital;

(C) painel solar; (D) datalogger, bateria e

modem; (E) sensores de radiação

solar, temperatura, velocidade de vento 3D e pressão atmosférica.

Montagem do sistema de monitoramento

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Instalação do sensor de medição e sistema de registro digital do ângulo da cadeia.

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Abordagem Teórica via Camada Limite Atmosférica

CLA é a camada de ar próximo da terra que sofre diretamente os efeitos do solo, rugosidade, térmicos, transferência de massa, etc, com escalas de tempo baixas e movimentos turbulentos

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Seleção domínio

Digitalização do terreno

Campos de Velocidade Vento

CLA

Modelo cálculo de Balanço

Pontos de interesse eDados da LT

Resultado

Início

FIM

Software CDF - Computer Fluid Dynamics (ANSIS CFX)

Condições deContorno

Abordagem via Camada Limite Atmosférica

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Seleção de Campo: Acuruí - MG

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Relevo digitalizado de Acuruí contendo três pontos com altitudes diferentes

Digitalização do Acuruí – MG

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Malha final utilizada na simulação numérica

Aplicação Método de Elemento Finito – CFX

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Detalhe da malha no solo e a sua progressão no plano vertical

Aplicação Método de Elemento Finito – CFX

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Condições de Contorno

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Perfis de velocidade apresentados nos Pontos A, B e C

Resultados da CLA

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Corte (linha imaginária)

Resultados da CLA

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Detalhes do vetor resultante da velocidade para um perfil a 50 m de altura

Resultados da CLA

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Detalhes do vetor resultante da velocidade para um perfil a 10, 50 e 100 metros de altura

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Perfis de vento

Perfis de vento no plano vertical para a região próxima ao solo.

Perfis de Velocidade

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Esquema da nuvem de pontos no arquivo de saída do CFX e pontos de interesse.

Entrada de dados no programa de cálculo de ângulo da cadeia.

Cálculo do Balanço

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Resultados esperados para todas as metodologias de cálculo propostas pelo software

Cálculo do Balanço

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Resultados obtidos para várias relações de vão (V/H)

Cálculo do Balanço

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Resultados obtidos para diversas categorias de terreno (rugosidades)

Cálculo do Balanço

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O projeto P&D 159 possibilitou desenvolvimento de um protótipo de sensor de balanço e um sistema de monitoramento (novo sensor, depósito patente, trabalhos de graduação).

Técnicas CFD para tratamento de Camada Limite Atmosférica podem ser ferramentas robustas para dar suporte ao projeto de linhas aéreas (nova metodologia , uma tese de mestrado, produção acadêmica ).

O balanço de cadeia e outros problemas de dimensionamento para novas linhas de transmissão estão num campo aberto à pesquisa e desenvolvimento.

Conhecimento ainda incipiente de Camada Limite Atmosférica e técnicas CFD por parte dos engenheiros projetistas de linhas. Abordagem teórica pode se renovar com o suporte da computação avançada aliada a medições experimentais .

Considerações finais

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Entidades: CEMIG ANEEL, UFMGEquipe:• Carlos Alexandre M. do Nascimento – CEMIG D• Maurissone F. Guimarães – CEMIG D• Ramon Molina Valle – UFMG• Geraldo Augusto Campolina França – UFMG• Gilberto Augusto Amado Moreira – UFMG• Rogério Lima – UFMG

Agradecimentos

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Obrigado!

Maurissone Ferreira Guimarães [email protected]