Linha de transmissão de energia experimental automatizada para ensaios mecânicos em condições reais

Marcos José Mannalá, Institutos Lactec

"O principal desafio foi integrar diversos sistemas de medição e controle atuando concomitantemente, para o qual a NI oferecia a melhor solução."

- Marcos José Mannalá, Institutos Lactec

O desafio:

Aprimoramento das técnicas de projetos de linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica através do aumento da ampacidade dos cabos, tanto para linhas novas quanto para existentes, garantindo a segurança e confiabilidade na operação.

A solução:

Construção de um laboratório em campo cujo objetivo é simular as situações reais às quais os cabos estarão submetidos de forma a identificar os efeitos mecânicos vibracionais devido ao aumento das trações em cabos condutores de energia elétrica, fruto do aumento da ampacidade nas amostras.

Autor(es)::

Andre Manzolli - Institutos Lactec
Luis G. Tomal Ribas - Institutos Lactec
Felipe T. Ribas Tovar - Institutos Lactec
Fabio Yukio Nara - Institutos Lactec
Rodrigo Canestraro Quadros - Institutos Lactec
Ilmar da Silva Moreira - Institutos Lactec
Marcio Tonetti - Institutos Lactec
Nilson Barbieri - Institutos Lactec
Marcos José Mannalá - Institutos Lactec

 

Apresentação da empresa

Os Institutos Lactec constituem uma empresa privada, situada na cidade de Curitiba, totalizando 30 mil m² de área construída, distribuídos em 30 laboratórios. Autossustentável, está no mercado de desenvolvimento tecnológico há 55 anos. Seu corpo funcional é constituído por mais de 500 colaboradores cuja missão é criar soluções inovadoras tendo como visão ser referência mundial em ciência e tecnologia. Os Institutos Lactec realizam testes em cabos condutores e acessórios desde 1996, adotando continuamente soluções de automação da National Instruments. Através desta interação os Institutos Lactec se filiou ao seu programa de parcerias sendo classificado como Silver Alliance Partner. Com essa cooperação foi possível ao Laboratório de Ensaio de Cabos e Acessórios (LECA) desenvolver mais de quarenta ensaios normalizados, todos adotando soluções NI. Outra parceria que tornou o projeto possível foi com a concessionária paranaense de energia, a COPEL, quem viabilizou o LECA nos idos de 1988. Os trabalhos evoluíram entre as partes mencionadas até os dias atuais, sendo que o hoje o laboratório presta serviços de pesquisa e testes normalizados especiais não só para a COPEL, mas também a nível nacional e internacional. Temos uma tradição de mais de 15 anos desenvolvendo soluções que envolvem produtos NI, o que naturalmente nos fez olhar suas soluções como primeira opção.

 

Apresentação do problema

Hoje, no Brasil, os projetos para linhas de transmissão são muito conservadores quanto aos níveis de trações para os cabos condutores. Com elevadas trações nos cabos condutores tem-se flechas menores, tornando possível o aumento da corrente nos condutores. Com a Linha de Transmissão Experimental (LTE) será possível levantar o quanto os cabos condutores poderão ser tracionados, sem que haja problemas de fadiga causados por vibração eólica. Serão também analisadas as consequências devidas aos esforços adicionais nas fundações das torres de ancoragem.

 

Projeto trações elevadas em cabos condutores

O conhecimento do comportamento de cabos condutores em linha de transmissão é o objeto de estudo do projeto em desenvolvimento pela parceria entre os Institutos Lactec e COPEL Geração e Transmissão S.A. intitulado “AUMENTO DA CAPACIDADE DE TRANSMISSÃO DE LINHAS AÉREAS: NOVAS TÉCNICAS DE PROJETO COM TRAÇÕES ELEVADAS”. Os diversos estudos na área têm como objetivo modelar o comportamento de cabos quanto às excitações eólicas, resistência à fadiga para diversos níveis de tração dos mesmos, dentre outros dados.

 

Construção da Linha de Transmissão Experimental (LTE)

O sistema de controle da LTE é caracterizado como um sistema de tempo real tipo SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), embarcado, desassistido e distribuído em quatro targets, com acesso remoto via Internet. Para tornar isso viável, o conjunto cRIO-9035 (mestre) e NI-9147 (escravo) foi essencial para que seus seis subsistemas pudessem ser operados de forma integrada. Apesar da distância de 270 m entre o mestre e o escravo, a comunicação entre eles foi transparente e estável. As comunicações entre os transdutores e atuadores dos subsistemas foram estabelecidas através de módulos que permitiram as leituras das seguintes grandezas: vento (intensidade e direção), temperatura, força de vibração e tração dos cabos, intensidade vibração dos cabos, deslocamento dinâmico do cabo próximo da suspensão e esforços nos pés da torre. Foram implementados os seguintes controles: alteração da tração e vibração (intensidade e frequência) dos cabos condutores.

 

A seguir são descritos com maiores detalhes os subsistemas implementados especificamente para a LTE com os equipamentos mencionados:

  • Tracionador dos cabos condutores: possibilita realizar a avaliação do comportamento mecânico dos cabos condutores para diferentes carregamentos e em condições de utilização mais próximas das condições reais, não obtidas em laboratório como, por exemplo, um grande comprimento de vão, formação de catenária, ventos e variações das condições climáticas;
  • Sistema de Excitação Mecânica: possibilita a simulação, em condições controladas, das oscilações equivalentes às condições provocadas por vento incidente nos cabos condutores. Foi projetado um sistema de acionamento eletromecânico, de construção similar à um alto-falante, capaz de ser controlado precisamente em amplitude e frequência, tendo a realimentação realizada com dados oriundos de acelerômetros e células de carga instalados no próprio sistema de excitação;
  • Monitoramento dos esforços nos pés da torre: foi implementado um sistema de medição das forças transmitidas aos quatro pés de sustentação da torre de ancoragem;
  • Vibrógrafo: equipamento normalizado para medição do deslocamento do cabo devido à vibração eólica. Foi desenvolvido um equipamento específico para o projeto, que permite a medição contínua e por prazo indefinido, para fins de pesquisa. Utilizou-se um sensor indutivo de medição sem contato, cuja precisão encontrava-se dentro das necessidades do projeto;
  • Sensoriamento distribuído: Diversos sensores foram incorporados à LTE visando complementar as medições principais, como por exemplo anemômetros, termopares, acelerômetros, etc.;
  • Supervisório: Terminal de controle com a Interface Homem Máquina (IHM) que permite o controle e a realização de ensaios manuais e automatizados, no local ou remotamente via Internet.

 

Desenvolvimento de Software para o atendimento dos requisitos da LTE

Para o desenvolvimento do software de controle foi utilizado o LabVIEW 2016 com os seguintes toolkits: Sound and Vibration, Advanced Signal Processing, LabVIEW Real-time Module e LabVIEW FPGA Module. No pós-processamento dos dados foi utilizado também o DIAdem 2017. O ambiente de programação LabVIEW prima por fornecer um ecossistema que favorece o projeto, implantação, testes e ampliações de softwares. Caracteriza-se por: código orientado a fluxo de dados, linguagem gráfica que abstrai complexidade, fácil comunicação com o hardware (tanto da NI quanto de terceiros), bibliotecas (inclusas e provenientes da Internet) que reduziram a necessidade de desenvolvimento, componentes de interface voltados à instrumentação e a possibilidade de programar em três tipos de targets (Windows, RT e FPGA).

 

O apoio da NI foi essencial, partindo da ajuda na definição da arquitetura do hardware, tendo também apoio em pontos específicos do software. Ser um Alliance Partner foi de grande valia pois permitiu acesso a cursos e informações que ajudaram a encontrar soluções de software para o sistema. Vários problemas foram encontrados durante a implementação, porém tivemos apoio dos engenheiros da NI, tanto por e-mail, quanto por telefone, como também presencialmente.

 

Conclusão

O sistema foi projetado para funcionar em regime contínuo, adquirindo, gravando e atualizando a IHM com os dados adquiridos. Como o sistema é controlado remotamente, existe a necessidade da confiabilidade e robustez, intrínseca aos equipamentos que compõem o sistema.

 

O principal desafio foi integrar diversos sistemas de medição e controle atuando concomitantemente, para o qual a NI oferecia a melhor solução. A equipe que desenvolveu o projeto é treinada e certificada em LabVIEW, sendo usuária de produtos NI há mais de 20 anos. Uma solução que não fosse da NI tornaria inviável a conclusão de um projeto com tal complexidade em três anos.

 

A LTE é um laboratório em campo para testes de cabos e acessórios, única no Brasil e a única no mundo com excitadores mecânicos e medição das reações mecânicas nos pés da torre. Diversas empresas da área de transmissão solicitaram a realização de ensaios na LTE. O emprego de soluções NI garantem a possibilidade de adaptação às necessidades do cliente de forma mais fácil e rápida, pois frequentemente ocorrem solicitações de ensaios com as mais diversas particularidades.

 

Informações sobre o autor:

Marcos José Mannalá
Institutos Lactec
Av. Comendador Franco, nº 1341, Jardim Botânico
Curitiba
Brazil
Tel: +55 (41) 3361 6363
mannala@lactec.org.br