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Transmissão CCAT

No caso do Brasil, a expansão da geração ocorre preponderantemente por meio de usinas hidrelétricas (UHE), haja vista a abundancia de recursos hídricos, sobretudo na região Norte-Nordeste do país. Por outro lado, os principais centros de carga estão localizados na região Sudeste, e portanto, surge a necessidade de instalação de longos sistemas de transmissão no Sistema Interligado Nacional (SIN).

Neste cenário, a transmissão em corrente contínua pode se tornar a melhor alternativa técnico-econômica para expansão do sistema de transmissão, especialmente para a transmissão de grandes blocos de energia elétrica a grandes distâncias.

A figura abaixo compara as alternativas de transmissão CA e CC em função do comprimento da linha de transmissão.

Comparação entre as alternativas de transmissão CA e CC

Fig. 60 Comparação entre as alternativas de transmissão CA e CC

A pequenas distâncias, a transmissão CA torna-se mais atrativa pois não requer a instalação dos equipamentos custosos de conversão CA-CC e CC-CA. No entanto, conforme a distância da linha aumenta, o custo inicial com as estações retificadora e inversora somados ao custo da linha CC por comprimento, tornam-se inferiores à alternativa CA. Isto se deve ao fato de que a transmissão em CA envolve grandes perdas maiores e o aumento do nível de tensão nem sempre é viável. Além disso, naturalmente, o custo da linha de CA por comprimento é superior ao custo da linha CC, pois são utilizados pelo menos três condutores, enquanto na transmissão em CC seriam necessários apenas dois condutores para transmitir a mesma potência.

Nota

O ponto a partir do qual as alternativas CA e CC se tornam equivalentes é denominado como break even point e o comprimento da linha de transmissão neste ponto é denominado break even distance, e ocorre, tipicamente, em torno de 600 e 800 km em linhas aéreas e em torno de 40 e 70 km em cabos submarinos.

Principais Equipamentos de Sistemas de Transmissão CCAT

A figura a seguir ilustra os principais componentes de um sistema CCAT, enumerados a seguir:

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Fig. 61 Principais componentes de sistemas CCAT

Conversores

Realizam a conversão CA/CC (retificador) e CC/CA (inversor) e consistem de pontes de tiristores, usualmente conectados numa configuração de seis ou doze pulsos, e transformadores com tapes variáveis. O conversor mais utilizado em sistemas CCAT é o Conversor Comutado pela Linha, conhecido como LCC (Line Commutated Converter). Esse tipo de conversor utiliza tiristores, sendo dependente da rede na qual se conecta, pois necessita da presença de tensão nos terminais CA para viabilizar a comutação entre as válvulas.

Reator de Alisamento

São responsáveis por limitar a corrente na linha CC durante defeitos, prevenir a falha de comutação, evitar descontinuidades de correntes no sistema CC e atenuar tensões e correntes harmônicas.

Filtros Harmônicos

São inseridos nos lados CC e CA do sistema CCAT para evitar que as correntes harmônicas geradas nos conversores se propague pelo sistema CA, além de fornecerem parte da potência reativa necessária para a operação dos conversores.

Os filtros CA são circuitos RLC conectados nos terminais CA dos conversores que têm a finalidade de impedir que os componentes harmônicos produzidos pelos conversores sejam injetados no sistema CA, evitando a violação dos limites de distorção harmônica e outros indicadores de qualidade de energia. Tais filtros são sintonizados em frequências compatíveis aos harmônicos característicos dos conversores aos quais estão associados. Como esses equipamentos possuem natureza capacitiva na frequência fundamental, também são utilizados para suprir parte da potência reativa necessária para a operação dos conversores.

Os filtros CC são circuitos RLC conectados nos terminais CC dos conversores e, assim como os filtros CA, possuem a finalidade de impedir que os harmônicos presentes nestes terminais causem interferência nos sistemas de telecomunicações próximos ao sistema de transmissão CCAT.

Fontes de Potência Reativa (Elo CCAT)

Em regime permanente, a potência reativa consumida pelo elo é por volta de 50% da potência ativa transferida. Sob condições transitórias, o consumo de potência reativa pode ser bem maior. Portanto, fontes de potência reativa devem ser conectadas às barras CA das conversoras, podendo ser provenientes de compensadores síncronos ou SVC’s (Static Var Compensators).

Eletrodos

Fornecem um caminho de baixa impedância pela terra para minimizar densidades de corrente e gradientes de tensão superficial quando o elo utiliza a terra como retorno.

Linhas de Transmissão CC

Podem ser aéreas, subterrâneas e submarinas e, usualmente, requerem menos espeço e condutores do que as linhas CA para conduzir a mesma potência.

Disjuntores CA (Elo CCAT)

Responsáveis por isolar defeitos no transformador e retirar o elo CC de serviço.

Topologias de Elos CCAT

Os elos CCAT são amplamente classificados nas seguintes categorias:

Elo CCAT (Monopolar)

A configuração básica do elo monopolar é ilustrada na figura abaixo. Nessa configuração, adota-se um único condutor, usualmente de polaridade negativa. O caminho de retorno é dado pela terra. Este tipo de configuração pode ser adotada como primeiro estágio de desenvolvimento de um sistema bipolar.

Ao invés de utilizar o retorno pela terra, um retorno metálico pode ser adotado em situações onde a resistividade do solo é elevada ou quando há riscos de interferência com estruturas metálicas subterrâneas.

Elo CCAT (Bipolar)

A figura a seguir ilustra a configuração de elo bipolar. Esta configuração emprega dois condutores, um com polaridade positiva e outro negativo. Cada terminal possui dois conversores conectados em série no lado CC. As junções entre os conversores é aterrada.

Em condições balanceadas , as correntes nos dois polos são idênticas e, portanto, não há circulação de corrente pela terra. No entanto, os dois polos podem operar independentemente. Se um polo precisar ser isolado devido a falhas no respectivo condutor, o outro polo pode operar com retorno pela terra e conduzir, adicionalmente, metade da potência nominal do polo removido, usando a capacidade de sobrecarga do conversor e da linha CC remanescente.

Elo CCAT (Homopolar)

O elo CCAT homopolar, cuja configuração é ilustrada na figura abaixo, possui dois ou mais condutores, todos de mesma polaridade. Usualmente, a polaridade negativa é preferida por causar menor radiointerferência devido ao corona. O caminho de retorno desses sistemas é dado pela terra.

Quando há falha em um condutor, todos os conversores ficam disponíveis para suprir aos condutores remanescentes, os quais possuirão certa capacidade de sobrecarga.

Cada uma das configurações de elos CCAT apresentadas consistem de uma série de conversores em cascata, cada um acoplado a um banco de transformador e a um grupo de válvulas. Os conversores são conectados em paralelo no lado CA (transformador) e em série no lado CC (válvulas) para providenciar o nível de tensão desejado do polo em relação a terra.

A maioria dos elos CCAT ponto a ponto (dois terminais) são bipolares, com operação monopolar com retorno pela terra usada somente durante contingências. Cada polo é normalmente projetado para operar independentemente com o objetivo de evitar falhas bipolares.

Controle do Sistema CCAT

O sistema de controle de um sistema CCAT tem como principais desafios:

  • Limitar grandes variações de corrente devido a distúrbios na rede CA;

  • Proteger as válvulas e demais equipamentos pela limitação da corrente máxima;

  • Manter a tensão CC próxima a nominal;

  • Manter o fator de potência nos terminais do elo o mais alto possível;

  • Prevenir-se contra a falha de comutação na estação inversora.

Em operação normal, o controle de corrente é feito pela ponte retificadora e o controle do ângulo de extinção (\(\gamma\)) é feito pela ponte inversora. Os ângulos de disparo da ponte retificadora e de extinção da ponte inversora são mantidos em valores mínimos para obter amplitudes maiores de tensão CC e, por conseguinte, menor consumo de potência reativa.

Para a prevenção da falha de comutação na estação inversora, este conversor, em modo normal de operação é responsável por controlar o ângulo de extinção (\(\gamma\)) (CEAConstant Extinction Angle), enquanto a estação retificadora realiza o controle da corrente (CCCrRectifier Constant Current Control), ajustada em um valor que é denominado ordem de corrente (Ido).

A figura abaixo ilustra estes dois modos de controle graficamente.

Controle do elo CCAT e operação normal

Fig. 65 Controle do elo CCAT em operação normal

O controle CCCr é de ação rápida, atuando no ângulo de disparo da estação retificadora (\(\alpha\)). Na estação retificadora ainda há o controle através dos tapes do transformador conversor, que atua na tensão CA, no sentido de manter o ângulo de disparo (\(\alpha\)) numa faixa de operação aceitável. O controle por tapes também está presente na estação inversora, mas nesta, ele atua na tensão CA com o objetivo de manter a tensão CC próxima da nominal. Os controles por tapes são lentos (ordem de 6 a 10 segundos) em comparação com os controles de corrente e de ângulo de extinção (ordem de alguns milissegundos).