Análise das características de propagação e de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos instalados em tubos não metálicos no contexto de parques eólicos

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Dissertação de mestrado

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Ósis Eduardo Silva Leal
Carlos Ermídio Ferreira Caetano

Resumo

A construção de parques eólicos tem crescido de forma significativa nos últimos anos, tornando-se uma fonte de energia renovável promissora no cenário global de transição energética. Nesse contexto, diferentes configurações de cabos são utilizadas para o transporte da energia gerada e para a interligação do aterramento de aerogeradores adjacentes e equipotencialização dos parques, com intuito de reduzir sobretensões de origem atmosféricas e reduzir os impactos causados por esses fenômenos. Para estes fins, cabos subterrâneos têm sido largamente utilizados, em configurações que envolvem cabos diretamente enterrados e cabos dentro de tubos, muitas vezes constituídos de materiais não metálicos. Para a última configuração não há formulação analítica na literatura que permita o cálculo dos parâmetros de impedância e admitância diretamente. Dessa forma, é proposto o cálculo de parâmetros de cabos subterrâneos em configurações típicas no contexto de parques eólicos através da combinação de expressões fechadas e do método de elementos finitos. São avaliadas quatro configurações básicas que envolvem cabos de média tensão diretamente enterrados e cabos enterrados em tubos de polietileno de alta densidade, além das suas variações que incluem um condutor de aterramento diretamente enterrado ou compartilhando um dos tubos. Essas configurações são analisadas do ponto de vista das suas características de propagação no domínio modal e da sua resposta transitória. Os resultados indicam que, de forma geral, configurações constituídas por cabos em tubos apresentam menor atenuação das ondas de tensão e corrente que, assim, viajam com uma velocidade maior do que em configurações de cabos diretamente enterrados no solo. Essa característica se traduz em uma resposta transitória caracterizada por sobretensões de magnitude mais elevada. Esse comportamento é um forte indicativo da necessidade da modelagem correta de configurações de cabos utilizadas em parques eólicos a fim de caracterizar com precisão o impacto de sobretensões atmosféricas na rede e no aterramento dos aerogeradores.

Abstract

The construction of wind farms has grown significantly in recent years, becoming a promising source of renewable energy in the global energy transition scenario. In this context, different cable configurations are employed both for transmitting the generated energy and for interconnecting the grounding systems of adjacent wind turbines, as well as for the equipotentialization of the wind farms, with the aim to mitigate lightning overvoltages and their impacts. For these purposes, underground cables have been widely used, in configurations that involve directly buried cables and pipe-type cables, often made of non-metallic materials. For the latter configuration, there is no analytical formulation in the literature for calculation of impedance and admittance parameters. Accordingly, this study proposes a hybrid methodology combining closed-form expressions and the finite element method to characterize typical cable arrangements in wind farms. Four configurations are evaluated, involving medium-voltage cables directly buried and cables placed within high-density polyethylene pipes, as well as their variations that include a grounding conductor directly buried or within the pipes. These configurations are assessed in terms of their propagation characteristics in the modal domain and their transient response. Results indicate that pipe-type configurations generally have lower attenuation and higher propagation velocities of voltage and current waves, leading to transient responses with higher overvoltage magnitudes compared to directly buried cables configurations. This behavior highlights the importance of accurately modeling the cable configurations to properly assess the impact of lightning overvoltages on wind farm networks and wind turbine grounding systems.

Assunto

Engenharia elétrica, Recursos renováveis, Parque eólico, Construção subterrânea, Tubos de aço, Linhas de telecomunicação

Palavras-chave

Parques eólicos, Cabos subterrâneos, Tubos não metálicos, Método de elementos finitos, Domínio modal, Teoria de linhas de transmissão, Transitórios eletromagnéticos

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