Formulário para Elaboração de
Projectos de Parques Eólicos
(Cálculo Eléctrico e de Fundações)
Elaborado por: António Pina
e-mail: [email protected]
Índice
1. Dimensionamento rede MT...........................................................................................3
1.1. Intensidade de corrente de serviço......................................................................... 3
1.2. Intensidade de corrente de curto-circuito .............................................................. 3
1.3. Quedas de tensão ................................................................................................... 3
1.3.1. Queda de tensão em rede subterrânea MT...................................................... 4
1.3.2. Queda de tensão em transformadores............................................................. 5
1.4. Perdas de Potência ................................................................................................. 5
1.4.1. Perdas de potência na rede subterrânea MT ................................................... 6
1.4.2. Perdas de potência em transformadores ......................................................... 6
1.5. Cálculo de terras .................................................................................................... 6
2. Subestação .....................................................................................................................8
2.1. Cálculo de intensidade de corrente de curto-circuito ............................................ 8
2.1.1. Cálculo de impedâncias equivalentes ............................................................. 8
2.1.2. Cálculo de intensidade de corrente de curto-circuito ..................................... 9
2.2. Critério de selecção da secção dos condutores.................................................... 10
2.2.1. Intensidade de corrente térmica esperada..................................................... 10
2.2.2. Intensidade de corrente térmica de curto-circuito de projecto ..................... 12
2.2.3. Verificação da escolha de condutores .......................................................... 13
2.3. Selecção de Pára-Raios........................................................................................ 14
2.3.1. Critério de selecção ...................................................................................... 14
2.4. Cálculo da malha de terra .................................................................................... 14
2.4.1. Cálculo da resistência da malha de terra da subestação ............................... 14
2.4.2. Cálculo da resistência da malha de terra do parque eólico........................... 15
2.4.3. Intensidade de corrente de defeito ................................................................ 15
2.4.4. Tensão de contacto e tensão de passo admissível ........................................ 15
2.4.5. Elevação do potencial da malha terra ........................................................... 16
2.4.6. Comprovação térmica do condutor de terra ................................................. 16
2.5. Barramentos......................................................................................................... 17
2.5.1. Acções nos tubos .......................................................................................... 17
2.5.2. Tensões nos tubos (cálculo estático) ............................................................ 18
2.5.3. Cálculo da flecha .......................................................................................... 19
2.5.4. Tensões nos tubos (cálculo dinâmico).......................................................... 19
2.6. Baterias de Condensadores.................................................................................. 23
2.6.1. Reactiva necessária pelo parque ................................................................... 23
2.6.2. Dimensionamento de baterias de condensadores ......................................... 26
2.7. Cálculo de estruturas e fundações ....................................................................... 27
2.7.1. Critérios de projecto ..................................................................................... 27
2.7.2. Acção sísmica ............................................................................................... 27
2.7.3. Cálculo de Forças ......................................................................................... 28
2.7.3.1. Esforços horizontais .............................................................................. 28
2.7.3.2. Esforços verticais................................................................................... 30
2.7.4. Cálculo de estruturas .................................................................................... 31
2.7.4.1. Momentos .............................................................................................. 31
2.7.4.2. Tensões .................................................................................................. 33
2.7.5. Cálculo de fundações.................................................................................... 35
2.7.5.1. Fixação .................................................................................................. 35
2.7.5.2. Submersão ............................................................................................. 35
2.7.5.3. Deslizamento ......................................................................................... 37
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1. Dimensionamento rede MT
1.1. Intensidade de corrente de serviço
Verificação do valor da corrente em conformidade com o cabo utilizado
I máx × f c ≥ I exp loração
Iexploração - corrente serviço nominal
Imax – corrente máxima admissível do cabo
fc – factor de correcção
nº circuitos
fc
1
1
2
0,8
3
0,75
4
0,7
Tabela 1.Factor de correcção RSIUEE
1.2. Intensidade de corrente de curto-circuito
S min =
Smin
Ith
t
k
I th t
k
– Secção mínima do cabo (mm2)
– Intensidade de corrente térmica de curto-circuito (A)
– tempo de duração do curto-circuito (s)
– factor dependente do material do condutor
1.3. Quedas de tensão
A queda de tensão é calculada o parque eólico à potência nominal e obtidas
considerando para cada circuito a expressão:
∆Vtotal = ∆Vtransf / AG + ∆VMT + ∆Vtransf / subest
Cada circuito de AG’s tem de obedecer à seguinte condição:
∆V ≤ 7%
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1.3.1. Queda de tensão em rede subterrânea MT
a) Fórmulas de cálculo
n
∆Vramo
= 3Il ( R cos ϕ + Xsenϕ )
n
- Queda de tensão produzida no ramo n [V]
∆Vramo
I – intensidade de corrente a circular no ramo [A]
l – comprimento do ramo [m]
R – resistência do condutor [Ω/km]
X – reactância do condutor [Ω/km]
cos φ – factor de potência
NOTA: AG’s funcionam a factores de potência próximos da unidade.
As quedas de tensão acumuladas ao longo do sistema são dadas por:
n
n
∆Vacumulada = ∑ ∆Vramo
1
Em percentagem, a queda de tensão é dada por:
n
∆Vramo
(%) =
n
∆Vramo
⋅100
U
U – valor de tensão no ponto inicial [V]
A queda de tensão acumulada percentual total em todo o circuito é a soma de todas as
quedas de tensão de todos os ramos.
n
n
∆Vacumulada (%) = ∑ ∆Vramo
(%)
1
b) Determinação dos comprimentos
O comprimento total de um cabo L é dado por:
L = Lvala + L2 + LE / S
Lvala – comprimento da vala entre aerogeradores [m]
L2 – Incremento ao comprimento do cabo devido a ondulações do terreno e
imperfeições de medida (5%) [m]
Le/s – comprimento do cabo dentro do aerogerador, desde a base até as celas de 30kV
[m]
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1.3.2. Queda de tensão em transformadores
2
⎡
(
u X cos ϕ − u R senϕ ) ⎤
∆Vtransf (%) = C ⎢(u R cos ϕ + u X senϕ ) +
⎥
200
⎣
⎦
Simplificando fica,
∆Vtransf (%) = C (u R cos ϕ + u X senϕ )
onde,
C (índice de carga) =
u R (%) =
I carga
I nominal
PCu
× 100
Pnominal
u X = ucc2 − u R2
PCu – Perdas no cobre ou perdas em curto-circuito [W]
ucc – tensão de curto-circuito [V]
Nota: À plena carga, C=1 e cos φ=1
1.4. Perdas de Potência
A potência de perdas total de um parque eólico é dada por:
n
i
∆PTOTAL = m ⋅ ∆Ptransf / AG + ∑ ∆Pcircuito
+ k ⋅ ∆Ptransf / subest
i =1
Este valor tem de respeitar a seguinte condição:
∆P ≤ 3%
m – nº de aerogeradores do parque
n – nº de circuito do parque
k – nº de transformadores de potência
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1.4.1. Perdas de potência na rede subterrânea MT
n
Pvar
=
Pmáx
∑I
2
i
i
n
∑I
i
⋅ hi
⋅
⋅ hi
1
I máx
i
Pvar – Potência de perdas considerando um regime de vento variável [W]
Pmáx – Potência de perdas quando o parque eólico funciona à potência máxima [W]
Pmáx =
∑ Perdas circuitos ⋅ 100
Potência do parque
1.4.2. Perdas de potência em transformadores
Pp (%) =
Pcarga
Ptransf
2
⎛I ⎞
PCu ⋅ ∑ ⎜⎜ i ⎟⎟ ⋅ hi
P ⋅H
i =1 ⎝ I n ⎠
⋅100
⋅100 = Fe T ⋅100 +
n
∑ Pi ⋅ hi
∑ Pi ⋅ hi
n
i =1
PFe – Potência de perdas no ferro ou perdas em vazio do transformador [W]
PCu – Potência de perdas no cobre ou em curto-circuito do transformador [W]
1.5. Cálculo de terras
R
nAG
g
=
R gAG
n
R gAG - Resistência da malha de terra de um aerogerador [Ω]
RgnAG - Resistência da malha de terra de n aerogeradores [Ω]
Rede de ligação entre vários aerogeradores
R gvala =
ρ ⎛ 2L ⎞
ln⎜ ⎟
πL ⎝ d ⎠
L – Comprimento do condutor horizontal [m]
ρ – resistividade do terrreno [Ω.m]
d – diâmetro do condutor [m]
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A resistência total da rede de Média Tensão:
MT
g
R
=
Rgvala + RgnAG
Rgvala × RgnAG
Comprovação térmica do condutor terra
A secção mínima do condutor de terra obtém-se da seguinte forma:
Sp =
I
α
t
∆θ
Sp – Secção do condutor [mm2]
I – corrente de defeito à terra [A]
α – constante [A.mm2.s1/2]
t – tempo de duração de defeito [s]
∆θ – variação de temperatura [200ºC]
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2. Subestação
2.1. Cálculo de intensidade de corrente de curto-circuito
2.1.1. Cálculo de impedâncias equivalentes
a) Noções básicas
U b2
Zb =
Sb
Impedância de base:
Z b , new = Z b , old
Mudança de variável:
Sb , new ⎛ U b , old ⎞
⎜
⎟
Sb , old ⎜⎝ U b , new ⎟⎠
b) Modelização de uma rede
I cc =
Scc
3 ⋅ U nom
Z rede = j
Sb
Scc
Zrede Impedância da rede [p.u.]
Scc
Potência de curto-circuito da rede [MVA]
Sb
Potência de base escolhida [MVA]
Icc
Intensidade de corrente de curto-circuito da rede [kA]
Unom Tensão nominal [KV]
c) Modelização de uma linha
Z linha , p.u . = l × ( Z linha , Ω / Km ) ×
Zlinha,p.u.
Zlinha,Ω/km
Zb
l
1
Zb
Impedância da linha [p.u.]
Impedância da linha [Ω/km]
Impedância de base [Ω]
Comprimento da linha [km]
d) Modelização de um transformador
Z transf = jX cc
Xcc
Ztransf
Stransf
Sb
Sb
Stransf
Reactância de fugas do transformador [p.u.]
Impedância do transformador [p.u.]
Potência nominal do transformador [MVA]
Potência de base [MVA]
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2
e) Modelização de um aerogerador
X d'' , p.u . = X d'' , Ω ×
S AG
U2
X d''
Reactância subtransitória
Xd
SAG
Reactância Síncrona
Potência do aerogerador [MVA]
X d , p.u . = X d , Ω ×
S AG
U2
Mudança de variável (se SAG≠Sb):
X d'' , p.u . = X d'' , p.u .
Sb
S AG
X d , p.u . = X d , p.u .
Sb
S AG
f) Modelização do conjunto transformador/aerogerador
Z G'' = Z transf + Z d''
Z G = Z transf + Z d
2.1.2. Cálculo de intensidade de corrente de curto-circuito
Impedância subtransitória de n conjuntos de transformadores/aerogeradores (para I k'' ,
inicial)
''
Z nG
=
Z G''
n
Impedância síncrona de n conjuntos de transformadores/aerogeradores (para Ik,
permanente)
Z nG =
ZG
n
Proceder a esquematização do circuito e obter o valor da impedância equivalente.
Z eq'' – impedância equivalente subtransitória [p.u.]
Z eq – impedância equivalente síncrona [p.u.]
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Para determinada zona, o cálculo efectua-se da seguinte forma:
Corrente inicial simétrica:
S '' =
Sb
Z eq''
I '' =
S ''
3 × U nom
Corrente estacionária simétrica
S=
Sb
Z eq
I=
S
3 × U nom
2.2. Critério de selecção da secção dos condutores
S esperado < S projectado < S escolhido
Sesperado – refere-se ao valor de secção mínima calculado em c).
Sprojectado – refere-se ao valor de secção mínima calculado neste ponto.
A escolha agora terá de satisfazer a condição e demais imposições regulamentares.
2.2.1. Intensidade de corrente térmica esperada
ip = 2 × χ × I
''
k
χ = 1,02 + 0,98e
−
3R
X
χ – factor adimensional que depende da impedância do ponto da rede onde está ligado o
parque eólico.
Tk – tempo de actuação das protecções.
Através do gráfico 1 (VDE 0102) é possível retirar o valor de χ sabendo R/X.
O valor usual para redes de AT é R/X = 0,07 (mais desfavorável), para o qual se obtém
χ = 1,8.
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Gráfico 1. Factor χ (VDE 0102)
Cálculo de m:
Com o valor de χ e Tk, pelo gráfico 2 retira-se o valor de m.
Gráfico 2.m factor numérico de corrente contínua (IEC 865)
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Cálculo de n:
Com a relação
I k''
e o valor de Tk, através do gráfico 3 obtém-se n.
Ik
Gráfico 3. n factor numérico de corrente alternada (IEC 865)
I th = I k'' m + n
Ith Intensidade de corrente térmica de curto-circuito
I k'' Intensidade de corrente inicial simétrica de curto-circuito
Ik Intensidade de corrente estacionária simétrica de curto-circuito
m factor numérica tendo em conta a componente contínua
n factor numérico tendo em conta a componente alternada
2.2.2. Intensidade de corrente térmica de curto-circuito de projecto
Serve a seguinte fórmula para comprovar que a secção mínima calculada em cima
encontra-se correctamente dimensionada dentro dos parâmetros máximos de corrente
admissível da aparelhagem projectada.
I th
=
S min
k ln
θf + β
θi + β
t kr
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Ith – Intensidade de corrente térmica de curto-circuito [A] (1)
Smin – secção do condutor [mm2]
tkr – tempo de duração do curto-circuito [s]
θi – temperatura inicial do condutor [80ºC]
θf – temperatura final do condutor [200ºC]
β – Inverso do coeficiente de temperatura da resistência a 20ºC do material [ºC]
k – constante do material [A mm-2s1/2]
Constante de materiais (k)
(1)
Material
β [ºC]
k [A mm-2 s1/2]
Cobre
Alumínio
Aço
234
228
202
226
148
78
valor referente ao máximo de intensidade de corrente admissível pela aparelhagem seleccionada
2.2.3. Verificação da escolha de condutores
Intensidades de correntes nominais:
Intensidades de correntes de curto-circuito:
E
I MAX
< IN
I thE < I thD < I thCond .
E
I MAX
- Intensidade máxima de exploração esperada [A]
I N - Intensidade nominal do condutor [A]
I thE - Intensidade térmica equivalente de curto-circuito de exploração esperada [A]
I thD - Intensidade térmica equivalente de curto-circuito projectada [A]
I thCond . - Intensidade térmica equivalente de curto-circuito do condutor escolhido [A]
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2.3. Selecção de Pára-Raios
2.3.1. Critério de selecção
U pl < BIL(1)
Upl – Nível de protecção do pára-raios [kV]
BIL – “basic insulation level” [kV]
Uc ≥
Um
3
Um – valor máximo de tensão permanente da aparelhagem da subestação [kV]
Uc – valor máximo de tensão que mantém continuidade de serviço [kV]
U r ≥ 1,45
Um
3
Ur – valor de tensão ao qual é iniciada a descarga [kV]
1,2U a ≤ BIL
Ua – valor de tensão residual, diferente em magnitude e forma de onda [kV]
Habitualmente usa-se uma descarga característica de 10kA com uma frente de 1µs.
2.4. Cálculo da malha de terra
2.4.1. Cálculo da resistência da malha de terra da subestação
R
Sub
g
⎡
⎛
⎞⎤
⎟⎥
1
1 ⎜
1
⎢
= ρ⎢ +
⎜1 +
⎟ ∀(0,25m < h < 2,5m )
L
20 A ⎜ 1 + h 20 ⎟⎥
⎢⎣
A ⎠⎥⎦
⎝
RgSub - Resistência da malha de terra da subestação [Ω]
ρ – resistividade do terreno [Ω.m]
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L – comprimento do conductor enterrado [m]
h – profundidade do conductor enterrado [m]
A – área coberta pela malha [m2]
NOTA: RgSub ≤ 20Ω (art.º 58 RSSPTS)
2.4.2. Cálculo da resistência da malha de terra do parque eólico
RPE =
RgSub × RgMT
RgSub + RgMT
2.4.3. Intensidade de corrente de defeito
A intensidade de corrente de defeito monofásica é dada por:
I F = 3I 0 =
3 ⋅U
3Z f + Z1 + Z 2 + Z 0
Zf – impedância de defeito ( Z f = Z c + Z N + Rg ) [Ω]
Zc – resistência de contacto [Ω]
ZN – impedância de neutro [Ω]
Rg – impedâncias de retorno [Ω]
Z1 – impedância directa [Ω]
Z2 – impedância inversa [Ω]
Z0 – impedância homopolar [Ω]
2.4.4. Tensão de contacto e tensão de passo admissível
⎛
ρ⎞
0,09⎜⎜1 − ⎟⎟
⎝ ρs ⎠
Cs = 1 −
2hs + 0,09
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Etouch50 = (1 + 1,5 ⋅ Cs ⋅ ρ s )
0,116
ts
Estep 50 = (1 + 6 ⋅ Cs ⋅ ρ s )
0,116
ts
ts – tempo máximo de actuação das protecções [s]
ρ – Resistividade do terreno [Ω.m]
ρs – resistividade da camada superficial de cascalho [Ω.m]
hs – espessura da camada superficial
Nota: o sub-índice 50, significa que são valores para uma pessoa com menos de 50kg.
2.4.5. Elevação do potencial da malha terra
A elevação é de:
Intensidade de corrente esperada:
I F × RPE < U step 50
Intensidade de corrente projectada:
I th × RPE < U step 50
2.4.6. Comprovação térmica do condutor de terra
Aplicar as duas correntes (esperada e projectada) e retirar valor da secção e confirmar
com a secção do cabo utilizado.
I th
=
S
k ln
θf + β
θi + β
tkr
Ith – Intensidade de corrente térmica de curto-circuito [A]
S – secção do condutor [mm2]
tkr – tempo de duração do curto-circuito [s]
θi – temperatura inicial do condutor [20ºC]
θf – temperatura final do condutor [200ºC]
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β – Inverso do coeficiente de temperatura da resistência a 0ºC do material [ºC]
k – constante do material
2.5. Barramentos
2.5.1. Acções nos tubos
a) Acções do próprio peso
(
)
ph = 900kg / m3 ⋅ π (R + 0,01) − R 2 m 2
2
R- raio do tubo [m]
Força unitária por peso próprio
f PP = pPT + pca + ph
pPT – Peso próprio unitário (tubos) [kg/m]
pca – Peso do cabo interior [kg/m]
b) Acções do vento
A força do vento é dada por:
fV = α ⋅ c ⋅ q ⋅ s [N/m]
α – coeficiente de redução
c – coeficiente de forma
q – pressão dinâmica do vento [Pa]
s – área da superfície atingida pelo vento [m2]
c) Acções por curto-circuito
Valor de pico da força que actua sobre o condutor em caso de um curto-circuito
trifásico:
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Fm 3 =
µ0
3 2
L
×
× i p3 ×
2π
2
am
Fm3 – força devida a ip3 [N]
ip3 – valor de pico da corrente de curto-circuito trifásico [A]
L – comprimento dos tubos [m]
am – distância entre fases [m]
f m3 =
Fm3
L
fm3 – valor devido à força, por unidade de comprimento [N/m]
2.5.2. Tensões nos tubos (cálculo estático)
fT =
Valor da força total:
( f m3 + fV )2 +
M máx =
Momento flector máximo:
σ máx =
Tensão máxima:
2
f PP
fT × L2
8
M máx
W
W – momento resistente (dados do barramento)
Coeficientes de segurança:
1.Limite de flexão do material
CS1 =
R p 02
σ máx
Rp02- limite flexão mínimo do material (dados do barramento)
2.Carga de rotura do material
CS 2 =
αR
σ máx
αR – carga de rotura do material
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2.5.3. Cálculo da flecha
O valor da flecha máxima é dada por:
f PP × L4
f =
185 × E × J
f PP - força unitária por peso próprio [N/m]
L – comprimento dos tubos [m]
E – módulo de Young [N/mm2]
J – momento de inercia [cm4]
Nota: A flecha não pode ser superior a L/300, ou seja, f <
L
.
300
2.5.4. Tensões nos tubos (cálculo dinâmico)
A tensão máxima é dada por:
σ máx = Vσ × Vr × β
Fm 3 × L
[N/m2]
8 ×W
Vσ – razão entre tensões dinâmicas e estáticas
Vr – razão entre tensões com reengate e sem reengate
β – factor que depende do tipo de suporte
Cálculo da frequência natural do condutor
fc =
γ
2
L
E×J
m'
γ – coeficiente que depende do tipo de suporte
m’ – massa do condutor por unidade de comprimento (pPT)
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para f0=50Hz:
Cálculo de Vσ:
Com a relação
fc
e sabendo χ, através do gráfico 4, tira-se o valor de Vσ.
f0
Gráfico 4.Cálculo de Vσ
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Cálculo de Vr:
Sabendo a relação
fc
, através do gráfico 5, encontra-se Vr.
f0
Gráfico 5. Cálculo de Vr
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Cálculo de β:
Através do gráfico abaixo determina-se β
Gráfico 6.Cálculo de β
É necessário verificar a condição
σ máx ≤ q × R p 02
Rp02 – Valor limite de flexão mínimo do material (Dados do barramento)
q – factor do IEC 865
q = 1,7
1 − (1 − 2 s / D)3
1 − (1 − 2 s / D) 4
S – espessura das paredes do tubo [mm]
D – diâmetro exterior [mm]
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2.6. Baterias de Condensadores
2.6.1. Reactiva necessária pelo parque
Potência reactiva consumida pelos transformadores dos AG’s
Ensaio em vazio:
Pfe e I0 são valores fornecidos pelo fabricante referentes ao ensaio em vazio.
G=
Pfe
U bt2
Y=
I0
U bt
3
G – Conductância [Ω-1]
Y – Admitância [Ω-1]
Pfe – Perdas no ferro [W]
Ubt – Tensão [V]
B = Y 2 − G2
B – Suspectância [S]
Q0 = B ⋅ U bt2
Q0,tot = n × Q0
n – número de aerogeradores
Q0 – Potência reactiva de um transformador [KVAr]
Q0,tot – Potência reactiva de todos os transformadores dos AG’s [KVAr]
Ensaio em curto-circuito:
Pcu e εcc são valores fornecidos pelo fabricante referentes ao ensaio em curto-circuito.
IN =
SN
3 ⋅U N
R=
Pcu
3 × I N2
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SN – Potência nominal [VA]
IN – Itensidade de corrente nominal [A]
UN – Tensão nominal [V]
R – Resistência [Ω]
Pcu – Perdas no cobre [W]
ε cc (%)
U cc =
100
UN
Ucc – Tensão de curto-circuito [V]
εcc – Tensão de curto-circuito [%]
Z=
U cc
X = Z 2 − R2
3 ⋅ IN
Z – impedância [Ω]
X – reactância [Ω]
Em regime variável, a potência reactiva dos transformadores é dada por:
Qtransf / AG = n ⋅ (Q0 + 3 ⋅ X ⋅ I 2 )
,em que a intensidade de corrente é dada por:
I=
P
3 ⋅U ⋅ cos ϕ
I – intensidade de corrente de um AG [A]
Potência reactiva do transformador de potência
Os cálculos necessários são iguais aos efectuados para os transformadores dos
aerogeradores. Designando-se por : Qtransf / subest
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24/37
Potência reactiva consumida pela rede MT
X L = ωL
Q3 = 3 ⋅ X L ⋅ I 2
L – inductância do cabo [H]
XL – reactância do cabo [Ω]
Q3 – Potência reactiva do troço [VAr]
Qind = ∑ Q3
Qind – Potência reactiva indutiva total da rede MT [VAr]
Potência reactiva fornecida pela rede MT
XC =
1
ωC
Qcap =
V2
XC
C – Capacitância dos cabos utilizados na rede [F]
Xc – Reactância capacitiva [Ω]
V – tensão da rede de MT [V]
Qcap – potência reactiva fornecida pela rede [VAr]
Reactiva dos aerogeradores
O factor de potência dos aerogeradores fica entre os seguintes limites:
f
cos ϕ = 0,98(cap) → Q AG
= − PAG × tgϕ (fornece energia reactiva)
a
cos ϕ = 0,95(ind ) → Q AG
= PAG × tgϕ (absorve energia reactiva)
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25/37
Balanço energético do parque eólico
Potência reactiva fornecida
f
f
QPE
= Qtransf / AG + Qtransf / subest + Qind + Qcap + Q AG
Potência reactiva absorvida
a
a
QPE
= Qtransf / AG + Qtransf / subest + Qind + Qcap + Q AG
2.6.2. Dimensionamento de baterias de condensadores
Um parque eólico tem que fornecer à rede uma potência reactiva de acordo com a
condição:
Q ≥ 40% Pmáx
Pmáx – Potência máxima produzida pelo parque [W]
Q – Potência reactiva produzida pelo parque [VAr]
Considerando cos ϕ = 0,98(cap) :
f
Qbat = Q + QPE
Qbat – Potência reactiva da bateria de condensadores [VAr]
Q – Potência reactiva produzida pelo parque [VAr]
f
QPE
- Potência reactiva fornecida [VAr]
f
é negativo (injecta na
Nota: o sinal da expressão é positivo uma vez que o valor de QPE
rede, logo fornece).
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26/37
2.7. Cálculo de estruturas e fundações
2.7.1. Critérios de projecto
As diferentes acções mecânicas serão calculadas separadamente para cada
elemento da aparelhagem e depois serão combinadas.
Os casos de combinação são chamados LC.
LC – Load Combination
a) Combinações fundamentais
•
•
LC1 – acções de base: sobrecargas (peso combinado com vento, sobrecargas de
origem estática e força de manobra temporal)
LC2 - acções de base: vento (peso combinado com vento e sobrecargas)
•
LC3 – acções de base: sismo (peso combinado com sismo e sobrecargas)
b) Combinações acidentais
•
LC4 – peso combinado com as forças acidentais e sobrecargas
2.7.2. Acção sísmica
Os efeitos de acção sísmica podem ser calculados das seguintes formas:
a) Método de análise dinâmico
b) Processos simplificados de análise estático
Força no plano horizontal:
Fsisx , y = 0,22 ⋅ α ⋅ Pp
Força no plano horizontal:
1
Fsisz = ⋅ 0,22 ⋅ α ⋅ Pp
3
α – Coeficiente de sismicidade
PP – Peso permanente total (cabo + aparelhagem + suporte)
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27/37
2.7.3. Cálculo de Forças
2.7.3.1. Esforços horizontais
a) Esforços longitudinais (x-x)
•
Força do vento sobre o aparelho aplicado no seu ponto médio:
Fvax = 1× 1× 750 N / m 2 × L × D × (1kg / 9,81N ) [kg]
• Força do vento sobre o suporte aplicado no seu ponto médio:
Fvsx = 1× 1,85 × 750 N / m 2 × h × H × (1kg / 9,81N ) [kg]
• Força devido a esforços sísmicos aplicado ao centro de gravidade do conjuntos
aparelhagem + suporte:
Fsisx = 0,22 ⋅ Pp [kg]
Pp – Peso permanente (soma dos pesos do condutor, equipamento e suporte)
• Força devido a esforços que possam ocorrer durante a montagem, carga estática
aplicado ao ponto mais crítico da estrutura:
x
Fmon
= 100 [kg]
• Força devido a esforços durante a operação de manobra (apenas o suporte do
interruptor):
x
Fope
= 200 [kg]
A força exercida pelo vento é dada por:
FV = α × c × q × s [N]
α – coeficiente de redução ( 0,6 para condutores, 1 para apoios e aparelhagem)
c – coeficiente de forma (1 para condutores, 1,85 para perfis transversais, 1,55 para
perfis longitudinais)
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28/37
q – pressão dinâmica do vento (750 Pa)
s – superfície da área batida pelo vento (m2)
b) Esforços transversais (y-y)
• Força devido a acções electrodinâmicas (apenas para suportes de aparelhos
ligados com condutores rígidos):
(1,8 ×
×
)
2
2 × I cc
× l [kg]
F = 3 × 10
a
• Força devido ao vento sobre os condutores que ligam ao aparelho aplicado na
sua parte superior:
y
cc
−1
Fvcy = 0,6 × 1 × 750 N / m 2 × l × (d + 0,02) × (1kg / 9,81N ) [kg]
• Força devido ao vento sobre o aparelho, aplicado no seu ponto médio:
Fvay = 1 × 1 × 750 N / m 2 × L × D × (1kg / 9,81N ) [kg]
• Força devido ao vento sobre o suporte, aplicado no seu ponto médio:
Fvsy = 1× 1,55 × 750 N / m 2 × h × H × (1kg / 9,81N ) [kg]
• Força devido a esforços sísmicos aplicado ao centro de gravidade do conjuntos
aparelhagem + suporte:
Fsisy = 0,22 ⋅ Pp [kg]
• Força devido a esforços que possam ocorrer durante a montagem, carga estática
aplicado ao ponto mais crítico da estrutura:
y
Fmon
= 100 [kg]
• Força devido a esforços durante a operação de manobra (apenas o suporte do
interruptor):
y
Fope
= 200 [kg]
l – longitude do vão [m]
a – distância entre fases [m]
d – diâmetro exterior do condutor [m]
Formulário para projectos de parques eólicos – (Cálculo eléctrico e de fundações)
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D – diâmetro máximo do aparelho [m]
L – altura do aparelho [m]
H – altura do suporte [m]
h - altura do suporte exposto ao vento [m]
Icc – intensidade de corrente de curto-circuito trifásica [kA]
c) Resultante
O esforço máximo horizontal é o maior dos esforços transversais e longitudinais,
ou seja,
Fh = máx[∑ Ftotx , ∑ Ftoty ]
1)
Combinação de base: vento
(
(
)
x
x
⎡ 1,5 Fvax + 1,5 Fvsx + 1,5 ⋅ 0,7 Fmon
,
+ 1,5 ⋅ 0,7 Fope
Fh = máx ⎢
y
y
y
y
y
y
⎢⎣ 1,5 ⋅ 0,7 Fcc + 1,5 Fvc + 1,5 Fva + 1,5Fvs + 1,5 ⋅ 0,7 Fmon + 1,5 ⋅ 0,7 Fope
2)
⎤
⎥
⎥⎦
)
Combinação de base: sismo
(
(
)
x
x
⎡ 1,5 Fsisx + 0,4 Fmon
+ 0,4 Fope
,
Fh = máx ⎢
y
y
y
y
⎢⎣ 0,4 Fcc + 1,5 Fsis + 0,4 Fmon + 0,4 Fope
⎤
⎥
⎥⎦
)
2.7.3.2. Esforços verticais
a) Combinação de base: vento
Força vertical máxima:
z
z
Ftotz = 1,5 Pc + 1,5 Ph + 1,5 Pa + 1,5 Ps + 1,5 ⋅ 0,7 Fmon
+ 1,5 ⋅ 0,7 Fope
b) Combinação de base: sismo
Força vertical máxima:
z
z
Ftotz = Pc + Ph + Pa + Ps + 1,5 Fsisz + 0,4 Fmon
+ 0,4 Fope
Formulário para projectos de parques eólicos – (Cálculo eléctrico e de fundações)
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Pc – Peso do condutor do vão considerado [kg]
Ph(1) – Peso do gelo sobre o condutor [kg]
Pa – Peso do aparelho [kg]
Ps – Peso do suporte [kg]
Fsisz - Esforço vertical devido ao sismo [kg]
z
Fmon
- Esforço vertical devido à montagem [100kg]
z
Fope
- Esforço vertical devido a manobras de operação [800kg]
(1)
Ph = 900 ×
π
4
[
]
× (d + 2 × 0,01) − d 2 × l
2
2.7.4. Cálculo de estruturas
2.7.4.1. Momentos
i.
momentos longitudinais
O momento total longitudinal é dado por:
Combinação de base: vento
x
x
x
M totx = 1,5M viento
+ 1,5 ⋅ 0,7 M mon
+ 1,5 ⋅ 0,7 M ope
[kg.m]
Combinação de base: sismo
x
x
x
[kg.m]
M totx = 1,5M sis
+ 0,4 M mon
+ 0,4 M ope
Com,
x
= Fvax × ( L / 2 + H ) + Fvsx × ( H / 2) [kg.m]
M viento
x
M sis
= Fsisx × H cdg [kg.m]
x
x
= Fmon
× ( L + H ) [kg.m]
M mon
x
x
M ope
= Fope
× ( L / 2 + H ) [kg.m]
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31/37
Sendo,
Hcdg – Altura do centro de gravidade [m]
H cdg =
ii.
( Pc + Ph ) × ( L + H ) + Pa × ( L / 2 + H ) + Ps × ( H / 2)
Pc + Ph + Pa + Ps
momentos transversais
O momento total transversal é dado por:
Combinação de base: vento
y
y
y
[kg.m]
M toty = 1,5 ⋅ 0,7 M ccy + 1,5M viento
+ 1,5 ⋅ 0,7 M mon
+ 1,5 ⋅ 0,7 M ope
Combinação de base: sismo
y
y
M toty = 0,4 M ccy + 1,5M sisy + 0,4 M mon
+ 0,4 M ope
[kg.m]
Com,
M ccy = Fccy × ( L + H ) [kg.m]
y
M vento
= Fvcy × ( L + H ) + Fvay × ( L / 2 + H ) + Fvsy × ( H / 2) [kg.m]
M sisy = Fsisy × H cdg [kg.m]
y
y
M mon
= Fmon
× ( L + H ) [kg.m]
y
y
M ope
= Fope
× H [kg.m]
Sentido longitudinal (x-x)
sx – altura do perfil ou distância entre perfis (estruturas compostas) [m]
Ix – momento de inércia longitudinal [cm4]
Wx – módulo resistente longitudinal [cm3]
S – área total do perfil [cm2]
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32/37
ix – raio longitudinal [cm]
ix =
Ix
S
Sentido transversal (y-y)
Sy – altura do perfil ou distância entre perfis (estruturas compostas) [m]
Iy – momento de inércia transversal [cm4]
Wy – módulo resistente transversal [cm3]
S – área total do perfil [cm2]
Iy – raio transversal [cm]
iy =
Iy
S
2.7.4.2. Tensões
As tensões suportadas serão as seguintes:
Tensão longitudinal:
σx =
100 × M totx
[kg/cm2]
Wx
Tensão transversal:
100 × M toty
σy =
[kg/cm2]
Wy
Tensão de flexão:
Ftotz
σp =ω
[kg/cm2]
S
ω – coeficiente de flexão (obtido através da tabela2, sabendo o valor de λ)
Formulário para projectos de parques eólicos – (Cálculo eléctrico e de fundações)
33/37
λ
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
λ
20
1.02
1.02
1.02
1.02
1.02
1.03
1.03
1.03
1.03
1.04
20
30
1.04
1.04
1.04
1.05
1.05
1.05
1.06
1.06
1.07
1.07
30
40
1.07
1.08
1.08
1.09
1.09
1.10
1.10
1.11
1.12
1.12
40
50
1.13
1.14
1.14
1.15
1.16
1.17
1.18
1.19
1.20
1.21
50
60
1.22
1.23
1.24
1.25
1.26
1.27
1.29
1.30
1.31
1.33
60
70
1.34
1.36
1.37
1.39
1.40
1.42
1.44
1.46
1.47
1.49
70
80
1.51
1.53
1.55
1.57
1.60
1.62
1.64
1.66
1.69
1.71
80
90
1.74
1.76
1.79
1.81
1.84
1.86
1.89
1.92
1.95
1.98
90
100
2.01
2.03
2.06
2.09
2.13
2.16
2.19
2.22
2.25
2.29
100
110
2.32
2.35
2.39
2.42
2.46
2.49
2.53
2.56
2.60
2.64
110
120
2.67
2.71
2.75
2.79
2.82
2.86
2.90
2.94
2.98
3.02
120
130
3.06
3.11
3.15
3.19
3.23
3.27
3.32
3.36
3.40
3.45
130
140
3.49
3.54
3.58
3.63
3.67
3.72
3.77
3.81
3.86
3.91
140
150
3.96
4.00
4.05
4.10
4.15
4.20
4.25
4.30
4.35
4.40
150
160
4.45
4.51
4.56
4.61
4.66
4.72
4.77
4.82
4.88
4.93
160
170
4.99
5.04
5.10
5.15
5.21
5.26
5.32
5.38
5.44
5.49
170
180
5.55
5.61
5.67
5.73
5.79
5.85
5.91
5.97
6.03
6.09
180
190
6.15
6.21
6.27
6.34
6.40
6.46
6.53
6.59
6.65
6.72
190
200
6.78
6.85
6.91
6.98
7.05
7.11
7.18
7.25
7.31
7.38
200
210
7.45
7.52
7.59
7.66
7.72
7.79
7.86
7.93
8.01
8.08
210
220
8.15
8.22
8.29
8.36
8.44
8.51
8.58
8.66
8.73
8.80
220
230
8.88
8.95
9.03
9.11
9.18
9.26
9.33
9.41
9.49
9.57
230
240
9.64
9.72
9.80
9.88
9.96
10.04
10.12
10.20
10.28
10.36
240
250
10.44
Tabela 2. Coeficiente de flexão
Com:
λ=
100 ⋅ H
imín
sendo, imín, o menor valor entre ix e iy.
O coeficiente de segurança tem de respeitar a seguinte restrição:
C.S . =
2600
≥ 1,5
σ P + máx(σ x ,σ y )
Formulário para projectos de parques eólicos – (Cálculo eléctrico e de fundações)
34/37
2.7.5. Cálculo de fundações
2.7.5.1. Fixação
Para assegurar que a sapata não cede devido às acções exercidas sobre a estrutura,
a seguinte restrição deve ser verificada:
Me
> 1,5
Mf
Me – momento estabilizador originado pelo peso total sobre a fundação aplicado no
extremo da mesma [kg.m]
M ex = P
Bx
2
M ey = P
By
2
Mf – momento flector máximo. Valor máximo dos momentos longitudinais e
transversais que actuam na sapata [kg.m]
M fx = M totx + Ftotx ⋅ Bz
M fy = M toty + Ftoty ⋅ Bz
Bx,By,Bz – longitude, altura e profundidade da sapata [m]
P – Peso total do condutor do vão considerado, aparelho, estrutura de suporte e a sapata
[m]
P = Pc + Pa + Ps + Pz
Pz –Peso da sapata [m]
2.7.5.2. Submersão
Para analise da submersão a que está submetida a sapata usa-se um factor e ,
chamada excentricidade que relaciona o momento flector com a força vertical exercida
na sapata.
e=
Mf
F + Pz
z
tot
Para momentos longitudinais M fx , podemos ter:
a) e x ≤
Bx
, distribuição trapezoidal de tensões cujo valor máximo é:
6
x
= σ hx =
σ máx
P
Bx ⋅ B y
⎛
e
⎜⎜1 + 6 x
Bx
⎝
⎞
⎟⎟
⎠
Formulário para projectos de parques eólicos – (Cálculo eléctrico e de fundações)
35/37
b) ex >
Bx
, distribuição triangular de tensões cujo valor máximo é:
6
x
σ máx
= σ hx =
4⋅ P
3 ⋅ B y ⋅ ( B x − 2e x )
Para a sapata não se afundar a seguinte condição deve ser verificada:
σ hx < σ t
σt – tensão máxima admissível do terreno [kg/cm2]
Para momentos transversais M fy , podemos ter:
a) e y ≤
By
6
, distribuição trapezoidal de tensões cujo valor máximo é:
y
= σ hy =
σ máx
b) e y >
By
6
P
Bx ⋅ B y
⎛
e
⎜1 + 6 y
⎜
By
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
, distribuição triangular de tensões cujo valor máximo é:
y
σ máx
= σ hy =
4⋅ P
3 ⋅ B x ⋅ ( B y − 2e y )
Para a sapata não se afundar a seguinte condição deve ser verificada:
σ hy < σ t
σt – tensão máxima admissível do terreno [kg/cm2]
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36/37
2.7.5.3. Deslizamento
Para a sapata não deslizar deve cumprir-se a seguinte expressão:
µ⋅P
Fh
> 1,5
µ – tangente do ângulo interno do terreno [º]
Fh(1) – Força horizontal máxima aplicada na sapata [kg]
(1)
Maior valor entre Ftotx e Ftoty .
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