Projeto e aplicação de cabos de alta tensão preenchidos com óleo e gás

Os cabos subterrâneos de alta tensão têm sido usados ​​para transmitir eletricidade por muitos anos e várias tecnologias diferentes foram desenvolvidas ao longo dos anos.

Os gasodutos e oleodutos isolados possuem características técnicas, ambientais e operacionais que os tornam uma alternativa muito boa quando a transmissão de alta tensão é necessária em um espaço limitado, por exemplo, quando é impossível usar linhas aéreas de energia.

Cabos de alta tensão na Espanha para tensão 400 kV

Os cabos de transmissão isolados a gás e óleo (cabos de gás e óleo de alta pressão) são uma alternativa segura e flexível às linhas aéreas e ocupam muito menos espaço, proporcionando a mesma transmissão de energia.

Como eles têm pouco ou nenhum impacto na paisagem e suas emissões eletromagnéticas mínimas significam que podem ser usados ​​perto ou mesmo em edifícios, os cabos de alta tensão preenchidos com óleo e gás podem ser considerados para uma ampla gama de aplicações.

A indicação magnética B que pode ser medida perto de tal estrutura é muito baixa, muito menor do que para uma linha aérea equivalente. A uma distância de 5 metros dos tubos, é inferior a 1 μT.

Eles são adequados para fornecer a continuação de linhas aéreas subterrâneas, conectar estações de energia à rede elétrica ou como uma forma compacta de conectar grandes instalações industriais à rede geral.

Quando usado em cabos com pressão aumentada, a resistência dielétrica do isolamento do cabo aumenta significativamente e sua espessura e, consequentemente, os custos são reduzidos. O aumento da pressão em cabos preenchidos com óleo ou gás é gerado dentro do isolamento através de um núcleo oco ou outros conduítes ao longo do cabo e é aplicado fora do isolamento se o cabo for colocado em um conduíte de aço.

Construção de uma linha de cabos com cabos de alta tensão preenchidos com gás

Os cabos preenchidos com gás usam isolamento implementado com água com uma camada empobrecida, na camada da qual existe um gás inerte sob pressão, que possui boas características elétricas e alta condutividade térmica (nitrogênio, gás SF6, etc.). Substituir o ar por nitrogênio ou gás SF6 evita a oxidação do isolamento.

De acordo com a magnitude da pressão, os cabos são diferenciados com pressão baixa (0,7 — 1,5 atm), média (até 3 atm) e alta (12 — 15 atm). Os dois primeiros tipos de cabos são feitos principalmente de trifásicos para 10 — 35 kV, e os cabos de alta pressão — monofásicos para 110 — 330 kV.

Cabos preenchidos com óleo de núcleo único para 110 kV são feitos com um canal condutor de óleo no centro do núcleo oco e para tensão de 500 kV - com um canal central no núcleo e canais sob a bainha protetora.

Projeto trifásico preenchido com óleo

O aumento da pressão requer o reforço da casca protetora, aplicando sobre ela tiras metálicas de reforço, que são protegidas da corrosão por revestimentos adequados, além de uma armadura de fios de aço galvanizado.

Uma grande desvantagem da linha de alta tensão moderna feita com cabo preenchido com óleo é a necessidade de equipamentos auxiliares muito caros e complexos, tais como: tanques de alimentação, tanques de pressão, batente, acopladores e conectores finais.

A compensação das mudanças nos volumes da composição de impregnação é realizada usando dispositivos de abastecimento que consistem em tanques de abastecimento e um tanque de pressão. Os tanques de alimentação garantem que uma grande quantidade de óleo seja alimentada para dentro ou para fora do cabo com pouca alteração na pressão, e o tanque de pressão mantém a pressão no cabo com qualquer alteração no volume de óleo.

O óleo se move ao longo do cabo ao longo do canal central do fio condutor de corrente. A linha de cabos é dividida limitando as buchas em peças de montagem separadas.

O concorrente mais forte do cabo preenchido com óleo é o cabo de gás pressurizado. Comparado com o cabo de alta tensão preenchido com óleo e preenchido com gás, ele requer custos de construção de linha mais baixos, não precisa de equipamentos auxiliares complexos e é muito simples tanto na instalação quanto na operação.

Instalação de uma linha trifásica com cabos preenchidos com gás

A principal vantagem dos cabos preenchidos com gás em comparação com os cabos preenchidos com óleo é a simplicidade de fornecer gás à linha do cabo, a possibilidade de colocar o cabo em rotas verticais e inclinadas acentuadamente.

Os cabos preenchidos com gás são mais amplamente usados ​​para tensão 10 — 35 kV.Em tensões de 110 kV e superiores, os cabos preenchidos com gás, em comparação com os preenchidos com óleo, têm menor força de impulso e maior resistência térmica. Portanto, esses cabos raramente são usados ​​em nosso país em tensões de 110 kV e acima.

Nos países europeus, pelo contrário, os cabos preenchidos com óleo (Oil Filled Cable) são usados ​​com menos frequência do que os cabos preenchidos com gás (linhas de transmissão isoladas a gás, GIL).

Essa tecnologia começou a ser aplicada na Europa aproximadamente na década de 70. Foi especialmente concebido para proporcionar a possibilidade de enterrar redes de alta tensão em ambiente urbano. Atualmente, existem muitos projetos concluídos usando cabos preenchidos com gás para tensões de até 500 kV.

A vantagem dos cabos preenchidos com gás é uma margem de segurança relativamente grande em caso de queda de pressão de emergência, o que permite que eles não sejam desconectados imediatamente quando a pressão cai.

Projeto de cabo cheio de gás

Os cabos em uma tubulação de aço sob pressão de óleo são três cabos unipolares com isolamento de papel impregnado com óleo mineral ou sintético (sem bainha de chumbo), que estão localizados em uma tubulação de aço com óleo sob pressão de até 15 atm.

Normalmente, óleos mais viscosos são usados ​​para impregnar o isolamento e óleos menos viscosos são usados ​​para encher a tubulação. Essas linhas de cabos em oleodutos de aço com óleo pressurizado são usadas para tensões de 110 a 220 kV.

O isolamento é coberto por uma tela de papel metalizado ou tiras de cobre perfuradas, sobre a qual é aplicada uma camada de vedação - uma bainha de polietileno que evita a entrada de umidade no cabo durante o transporte.

Dois ou três fios semicirculares de bronze ou cobre são aplicados em espiral no revestimento de vedação, que são projetados para facilitar a entrada do cabo no conduíte, além disso, mantêm as fases a uma certa distância umas das outras, o que melhora a circulação do óleo e garante o contato elétrico das blindagens dos cabos com a tubulação.

O tubo de aço, que mantém a pressão no cabo, é uma proteção confiável contra danos mecânicos. A pressão do óleo no isolamento é transferida através da bainha de polietileno.

Sobrecarga para transição de cabo

O ponto fraco de um cabo de alta tensão geralmente são os conectores. Uma das principais tarefas no desenvolvimento de linhas de cabos de alta tensão é a criação de um conector conveniente para instalação e com resistência elétrica não inferior à do cabo.

Os conectores finais são instalados nas extremidades da linha do cabo e os conectores semi-paradas são instalados a cada 1 a 1,5 km da linha (eles impedem a livre troca de óleo entre as seções adjacentes da tubulação).

A pressão de óleo predefinida na tubulação é mantida por uma unidade de operação automática que fornece óleo à tubulação quando a pressão cai e remove o excesso de óleo quando a pressão aumenta.

Nos conectores de cabos cheios de óleo, ocorre a conexão elétrica dos fios condutores de corrente e a conexão dos canais de óleo do cabo.

Os núcleos são pressionados entre si e a continuidade do canal de óleo é assegurada por um tubo de aço oco (soldagem ou brasagem não são permitidas devido à presença de óleo).

Uma blindagem de aterramento (trança de cobre estanhado) é aplicada ao longo de todo o comprimento da bucha, e a parte externa da bucha é encerrada em um invólucro de metal.

Bucha de cabo de cabo de alta tensão cheio de óleo

Os cabos em uma tubulação de aço a gás pressurizado diferem do projeto anterior apenas porque, em vez de óleo mineral ou sintético, a tubulação é preenchida com um gás inerte comprimido, geralmente nitrogênio a uma pressão de cerca de 12-15 atm. A vantagem de tais cabos é uma significativa simplificação e redução de custos do sistema de alimentação da linha.

A isolação do cabo está exposta não apenas à exposição contínua à tensão de frequência industrial, mas também à tensão de impulso, uma vez que os cabos são conectados diretamente a linhas aéreas ou a equipamentos elétricos de subestações abertas e quadros de distribuição que percebem os efeitos ondas atmosféricas. 

A força de impulso de um cabo cheio de óleo é maior do que a de um cabo cheio de gás, independentemente dos valores de pressão de óleo ou gás neles. Para qualquer tipo de cabo, a tensão de ruptura do impulso pode ser aumentada reduzindo a espessura das tiras de papel, ou seja, reduzindo os espaços entre eles. Cabos preenchidos com óleo ou cabos sob pressão externa de gás, onde as lacunas no isolamento são preenchidas com um composto de impregnação, apresentam as maiores tensões de ruptura.

Os cabos de alta tensão preenchidos com gás em um coletor subterrâneo (túnel) podem ser facilmente movidos entre os cabos, mas esse tipo de instalação quase não requer manutenção

Os gasodutos de alta pressão isolados a óleo já provaram sua confiabilidade técnica por várias décadas, pois oferecem segurança excepcional na operação e mesmo em caso de falha, além de suas excelentes características de transmissão.

A condição do isolamento das linhas de cabos durante a operação é verificada por meio de testes preventivos, que permitem identificar violações grosseiras da integridade do isolamento e defeitos nele (fase de aterramento, quebras de fios, etc.), bem como medir a resistência de isolamento, correntes de fuga, ângulo de perda dielétrica, etc.

Deve-se notar que, para a isolação de linhas de cabos, os testes preventivos são o único método para detectar pontos defeituosos na isolação, uma vez que a linha de cabos é inacessível para inspeção e reparo preventivo. Portanto, o teste preventivo de isolamento de linhas de cabos deve identificar rapidamente defeitos no isolamento de cabos e, portanto, reduzir a emergência da rede.

Além do artigo - Siemens está desenvolvendo uma linha de transmissão de gás

A nova linha foi projetada para transmitir até cinco gigawatts (GW) de potência por sistema. O Ministério Federal de Assuntos Econômicos e Energia da Alemanha está concedendo 3,78 milhões de euros para este projeto de desenvolvimento.

Fios elétricos de corrente contínua será baseado na tecnologia da linha de transmissão (LT) isolada a gás existente, que consiste em dois tubos concêntricos de alumínio. Uma mistura de gases é usada como meio isolante.Até agora, as linhas de cabos isoladas a gás estavam disponíveis apenas para corrente alternada.

A expansão da rede de transmissão é necessária para que 80% da demanda de eletricidade da Alemanha seja atendida por fontes de energia renováveis ​​até 2050.

Eletricidade gerada turbinas eólicas na parte norte do país e ao longo da costa da Alemanha, terão de ser transportados da forma mais eficiente possível para os centros de carga na parte sul da Alemanha.A transmissão CC é mais adequada para isso por causa de suas baixas perdas elétricas em comparação com a transmissão CA.

O desenvolvimento de rede usando corrente contínua de alta tensão (HVDC) usando linhas de transmissão aéreas e linhas de transmissão de corrente contínua isoladas a gás colocadas no subsolo em certas áreas pode ser realizado usando significativamente menos recursos do que a tecnologia trifásica.

"A transmissão subterrânea de corrente contínua é essencial para a transição da Alemanha para uma nova estrutura elétrica, pois seu desenvolvimento ocorrerá inicialmente na Alemanha. Mais tarde, consultas de outros países da UE ou de outros países ao redor do mundo serão possíveis. De qualquer forma, com o desenvolvimento de uma linha de transmissão de gás de corrente contínua, a Alemanha desempenhará um papel de liderança no projeto de futuros sistemas de transmissão", disse Denis Imamovic, responsável pelos sistemas de transmissão de gás da Siemens Energy Management.