Recapacitação de linhas de transmissão por conversão AC-DC : alternativas técnicas e estudo de caso de LT 230kV

Abstract

O aumento da demanda por fontes de energia renovável exige a expansão e a adaptação da rede de transmissão a fim de alcançar flexibilidade e confiabilidade operacional. Por outro lado, custos ambientais e fundiários têm crescido. A permissão para criação de novos corredores de transmissão está se tornando mais difícil, tornando a aquisição de novas faixas de passagem mais caras. Portanto a recapacitação de linhas de transmissão (LTs) existentes tem sido considerada como alternativa à construção de LTs novas. Existem diversas opções para recapacitação de LTs em corrente alternada (AC), entre as quais a substituição de condutores convencionais por condutores de alta ampacidade e baixa flecha (HTLS), aumento da compensação série, uso de dispositivos FACTS, etc. Porém a conversão para operação DC é vista como a forma mais promissora de aumento de capacidade de LTs AC limitadas por estabilidade térmica e/ou estática. Enquanto as opções de recapacitação AC tem custo por incremento de megawatt transmitido mais baixo, elas raramente alcançam o nível de aumento de potência transmissível que é possível através da conversão AC-DC. Os altos custos dos terminais conversores são a principal razão pela qual a conversão AC-DC não tem sido usado como alternativa de recapacitação. Entretanto, os avanços na tecnologia de equipamentos de eletrônica de potência têm diminuido os custos de conversão de forma que a conversão ACDC pode tornar-se economicamente viável em breve Este trabalho apresenta as principais diretrizes para a conversão AC-DC de uma LT existente. Um estudo de caso ilustra as opções de conversão para uma LT AC 230kV de 350km. São apresentados dois cenários de conversão. O primeiro segue a diretriz de projeto “Fazer Nada”, onde é feito o mínimo esforço para que a LT possa operar em tensão DC. As fases laterais são convertidas em polos e o feixe central é mantido como retorno metálico. A única mudança é na cadeia de isoladores, cujos isoladores de vidro são substituidos por isoladores de vidro específicos para DC. O segundo cenário considera a substituição dos condutores utilizando condutores HTLS, divisão do feixe central para os polos, troca do material dos isoladores e reforços nas estruturas de modo que um alto ganho na potência transmissível seja alcançado. Os resultados mostram que o aumento de potência transmissível é tecnicamente viável em ambos cenários. No primeiro, a tensão polo terra poderia ser aumentada até 226kV sem prejudicar a coordenação do isolamento nem os limites dos efeitos de corona dentro da faixa de servidão A potência máxima recebida no terminal inversor é 100% da capacidade térmica da LT AC original (630MW). O incremento na potência transmitida representa um aumento de 125% sobre o limite de estabilidade estático da LT AC não compensada e mais que o dobro de sua potência natural (222MW). No segundo cenário, a tensão operativa poderia ser aumentada para até 303kV. A capacidade da LT convertida operando em condições normais é 160% superior à capacidade térmica da LT original e quatro vezes superior ao limite de estabilidade do link AC existente. Em condições emergenciais de ampacidade máxima, a LT convertida pode operar com aproximadamente cinco vezes a capacidade térmica da linha original. Mais modificações poderiam ser propostas para alcançar um ponto ótimo entre aumento de potência e custo da conversão. Análise econômica não é considerada nesse trabalho, ainda que seja essencial para a materialização de um projeto de conversão AC-DC.

The increasing demand for renewable energy sources requires the expansion and adaptation of the transmission grid to achieve operational flexibility and reliability. On the other hand, environmental costs have been raising. The permission for creating new transmission corridors is becoming continuously more difficult, turning new rights of way more expensive. Due to these reasons, upgrading existing transmission lines has been considered as alternative to the construction of new ones. There are several AC lines uprating options such as reconductoring using (HTLS) high temperature low sag conductors, increment of series compensation, addition of FACTS devices, etc. However, DC conversion is generally seen as the most promising way of gaining major increases in the capability of stability and/or thermal limited AC lines. While the AC uprating options will usually be less expensive than conversion per incremental MW of transmitted power, they will seldom achieve the level of possible increments with conversion to DC. The high terminal costs are the main reason why DC conversion has not been used as upgrading alternative until now. However the equipment technology advances on the power electronics are continuously decreasing the conversion costs, thus AC to DC upgrade may soon become economically feasible This work presents some main guidelines for DC conversion of an existing AC transmission line. A study case illustrates the conversion options of a 350 km long 230kV AC transmission line. Two conversion scenarios are presented: The first one is ruled under the “do nothing” conversion guideline, where the minimum effort is done so that the line could operate under DC voltage; The lateral phases are converted to DC poles, while the central phase bundle is kept as metallic return. The only change is in the insulator string, where the original glass AC insulators is substituted by DC special glass insulator; The second scenario considers modifications such as reconductoring using HTLS conductor, rearrangement of the central bundles dividing it to the lateral poles, change of insulation material and tower reinforcements in such way that a large boost of transmittable power could be reached. Results show that the increments of the transmittable power are technically viable in both conversion scenarios. In the first scenario, the DC pole earth operating voltage could be increased up to 226kV, without jeopardizing the reliability of the insulation coordination nor violating the corona effects limits within the existing ROW. The maximum transmitted power received by the inverter terminal could reach more than 100% of the thermal rating capacity of the original AC line (630MW) more efficiently. The transmitted power increment represents a 125 % increase of the stability limit of the uncompensated line and more than twice of the original Surge Impedance Loading (SIL) (222MW). In the second scenario line voltage could be increased up to 303kV. The thermal rating of the converted line could reach more than four times of the uncompensated original AC line. The emergency rating of the converted line is more than two times a SIL from a 500kV AC line. Further modifications could be discussed in order to achieve an optimized point for the compromise between conversion costs and capacity increase. Economic aspects evaluations are not considered in this work, albeit essentials for the feasibility of conversion projects.