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Objetivo da ligação da bainha do cabo
Os cabos eléctricos de alta tensão estão equipados com um condutor concêntrico exterior sob a forma de uma blindagem metálica e/ou uma bainha metálica que envolve o condutor principal e a camada de isolamento. As telas metálicas e as bainhas metálicas são coletivamente designadas por bainha. A bainha também inclui qualquer camada metálica de blindagem no cabo. As finalidades da bainha metálica de um cabo incluem proporcionar um caminho de retorno da corrente de defeito, um caminho de retorno para as correntes de carga capacitiva induzidas, um potencial de terra (tensão de contacto zero ou semelhante) para a segurança humana e uma barreira à humidade para o isolamento do cabo.
Para os circuitos de cabos de alta tensão que transportam mais de cerca de 500 A, são implementadas disposições de ligação da bainha para reduzir (frequentemente de forma significativa) as perdas de corrente da bainha. Embora as disposições de ligação tenham um custo adicional para o equipamento e a manutenção, muitas vezes resultam em tamanhos de cabos consideravelmente menores a serem utilizados para fornecer as mesmas correntes de carga. A disposição de ligação da bainha metálica selecionada para sistemas de cabos de alta tensão tem o segundo maior impacto nas classificações de corrente dos cabos, perdendo apenas para a resistência térmica externa (o ambiente instalado) dos cabos. As correntes nominais dos cabos de alta tensão são calculadas utilizando a série de normas IEC 60287.
Um sistema de ligação de bainhas é utilizado para proteger o isolamento de vários componentes do sistema de cabos durante o funcionamento normal, bem como contra sobretensões transitórias causadas por raios, comutação e surtos de falha. Além disso, o arranjo de ligação da bainha também é importante do ponto de vista da segurança.
Neste relatório, explicamos os seguintes tipos: ligação sólida, ligação de ponto único, ligação cruzada e ligação por impedância.
A ligação cruzada seccionada é a disposição especial de ligação mais comum para as linhas de transmissão AT e MAT, exceto se o comprimento da linha for curto, em que a ligação de ponto único é mais utilizada.
Consulte artigos separados para a conceção do condutor de continuidade de terra (ECC), seleção do limitador de tensão de bainha (SVL) e seleção do cabo de ligação.
Perdas na bainha do cabo
O campo magnético que é gerado pelo fluxo de corrente nos condutores principais dos cabos cria um efeito de "transformador" que induz uma corrente na bainha. Devido a estas correntes induzidas na bainha, podem ocorrer dois tipos de perdas: perdas por corrente circulante e perdas por correntes de Foucault. A presença de perdas de corrente na bainha provoca um aquecimento adicional no interior do cabo, resultando numa redução da capacidade de transporte de corrente do condutor do cabo.
As correntes de Foucault circulam radial e longitudinalmente nas bainhas dos cabos; e são geradas com base em princípios semelhantes de efeitos de pele e de proximidade. As correntes de Foucault são geralmente de menor magnitude em comparação com a corrente circulante e são geradas na bainha do cabo, independentemente do sistema de ligação dos cabos unipolares.
Se houver correntes circulantes na bainha (dependendo da disposição da ligação da bainha), a magnitude da corrente é geralmente muito maior do que a das correntes parasitas.
As correntes circulantes ocorrem na bainha para ligações sólidas de cabos unipolares e cabos multipolares em que uma bainha individual envolve cada núcleo do condutor. Para bainhas que são de ponto único ou de ligação cruzada não há correntes circulantes, no entanto, as perdas de corrente de Foucault ainda ocorrem.
Desenhos de ligação da bainha
Ligação sólida
Método
Figura 1. Sistema de cabos sólidos ligados
Figura 2. Sistema de ligação sólida com pontos de ligação à terra intermédios
Aplicação
Vantagens
- Solução simples e económica.
- O campo magnético externo ao cabo é baixo devido à direção oposta da corrente da bainha em relação às correntes do condutor.
- É necessária uma manutenção mínima.
- A tensão da bainha é considerada ao potencial da terra em todos os pontos.
Desvantagens
- A corrente que flui nos condutores dos cabos induzirá correntes de circulação nas bainhas que podem atingir 80 % da corrente do condutor.
- O calor gerado através de perdas joule pelo fluxo de corrente circulante causará um aquecimento adicional que reduzirá a taxa do sistema de cabos e resultará em tamanhos de cabos maiores para arranjos de ligação sólida.
Considerações sobre a conceção
- Utilize dois cabos de ligação à terra paralelos e independentes em cada ponto de ligação (final ou intermédio) para reduzir a probabilidade de desconexão.
- Os cabos de ligação nos pontos de terra devem ser capazes de suportar as correntes de defeito.
- Em função do comprimento e de outros parâmetros, podem ser incluídos pontos de ligação à terra intermédios.
- A magnitude da corrente circulante é independente do comprimento do circuito.
Ligação de ponto único
Método
Figura 3. Sistema de cabo ligado de ponto único
Figura 4. Sistema de cabo seccionado de ponto único ligado
Aplicação
Vantagens
- A ligação de ponto único proporciona melhores valores de corrente do cabo, uma vez que as perdas de corrente de circulação induzidas na bainha são eliminadas.
- Só é necessário um comprimento de cabo, o que torna a ligação de ponto único uma solução económica.
- A corrente não flui longitudinalmente ao longo das bainhas. Isto deve-se ao facto de não existir um percurso elétrico contínuo em circuito fechado para a bainha. Consequentemente, as perdas de corrente de circulação da bainha são eliminadas. (Note-se que as perdas por efeito de Foucault da bainha continuarão a estar presentes).
Desvantagens
- Este método faz com que a tensão aumente ao longo do comprimento do cabo e estas tensões são proporcionais à corrente do condutor e ao comprimento do cabo. Para cabos de núcleo único, esta tensão aumenta com o espaçamento entre fases individuais.
- Para reduzir esta tensão, é instalado um ECC que corre paralelamente aos cabos, o que aumenta significativamente o custo do sistema de cabos
- Deve-se ter o cuidado de isolar a bainha na extremidade livre para evitar o perigo das tensões induzidas.
Considerações sobre a conceção
Num sistema de cabo ligado num único ponto, é induzida uma tensão na bainha do cabo durante o funcionamento, aumentando progressivamente com a distância do ponto ligado à terra. Esta tensão induzida atinge um máximo no ponto mais afastado da extremidade ligada à terra. Por conseguinte, o comprimento máximo da secção do cabo é regido pela tensão permanente admissível na bainha permitida na extremidade isolada.
A tensão induzida na bainha deve ser calculada de modo a não exceder um limite aceitável de tensão de contacto por razões de segurança. A maioria dos países tem uma norma nacional que rege as tensões de repouso máximas permitidas nas frequências de alimentação, uma vez que esta é uma questão importante, particularmente para os trabalhadores da manutenção, e estes limites de tensão estão normalmente no intervalo de 35-400 V, dependendo do país e dos regulamentos aplicados.
Nos pontos mais afastados da extremidade ligada à terra, a bainha deve ser efetivamente isolada da terra durante toda a vida útil do sistema de cabos. Se o nível de sobretensão previsto for superior a 75% do nível de isolamento básico (BIL) do isolador da bainha, deve ser sempre utilizado um limitador de tensão da bainha (SVL). O SVL é normalmente ligado entre a bainha aberta e o ponto de terra para proteger a bainha do cabo contra sobretensão durante transientes causados por comutação, iluminação ou falhas.
Um ECC é instalado em paralelo com os cabos de um sistema de ligação de ponto único, exceto quando ambas as extremidades do cabo partilham um sistema de ligação à terra comum. A localização relativa do ECC em relação aos condutores de fase deve ser cuidadosamente considerada e o ECC deve ser transposto para o meio do sistema de cabos.
Ligação cruzada
Método
Figura 5. Cabos com ligações cruzadas sem transposição
Figura 6. Cabos cruzados com transposição
Tipos
Contínuo Tipo de ligação cruzada
Ligação cruzada seccionada
Ligação cruzada direta
Ligação cruzada de linhas curtas
Ligação cruzada em instalações de túneis
Embora nesta disposição os cabos de ligação cruzada não transportem corrente de pico, estes cabos devem ser dimensionados para transportar correntes de curto-circuito do sistema. Em comparação com a ligação cruzada normal, em que as SVLs estão ligadas numa disposição em estrela, a SVL na instalação em túnel está ligada numa disposição em delta. Devido às tensões induzidas mais elevadas durante as condições normais e transitórias, é necessária uma tensão nominal mais elevada para a SVL neste tipo de instalação.
Aplicações
Vantagens
- Em comparação com a ligação de ponto único, uma configuração de ligação cruzada tem a vantagem de não ser limitada pelo comprimento.
- As correntes circulantes são significativamente reduzidas, o que resulta em menores perdas de bainha e maiores classificações de corrente do cabo.
- Para além de inibir as correntes de bainha durante o funcionamento normal de carga equilibrada, as bainhas formam um caminho contínuo de ponta a ponta do circuito do cabo e estão ligadas à terra em ambas as extremidades. Por conseguinte, durante os defeitos à terra, as correntes da bainha podem fluir ao longo do comprimento, eliminando assim a necessidade de um ECC separado.
- Para além da economia resultante da eliminação do ECC, as bainhas dos cabos funcionam mais eficazmente como condutores de blindagem durante os defeitos à terra do que um ECC paralelo. Assim, as tensões induzidas em cabos paralelos, linhas de comunicação, tubagens, vedações, etc., são reduzidas durante as falhas de terra num sistema de ligação cruzada em comparação com um sistema semelhante de ligação de ponto único.
Desvantagens
- É dispendioso e complicado.
- A ligação cruzada de bainhas reduz significativamente a corrente circulante nas bainhas. No entanto, é difícil garantir que todas as secções tenham o mesmo comprimento.
Considerações sobre a conceção
O comprimento de cada secção e os espaçamentos dos cabos são limitados pelos níveis de tensão induzida e pelas diferenças de tensão entre as bainhas e os pontos de ligação à terra.
Para os circuitos de cabos com ligações cruzadas, as tensões mais elevadas da bainha à terra são causadas por defeitos bifásicos e trifásicos. Se o circuito de cabos com ligações cruzadas estiver inserido no meio de uma linha aérea, os defeitos monofásicos produzem as tensões bainha-terra mais elevadas que aumentam com as impedâncias de terra.
Ligação por impedância
Método
Na ligação por bainha do transformador, ambas as extremidades de cada bainha de cabo são ligadas eletricamente a um transformador trifásico de ligação por bainha, como se mostra na figura 7.
Figura 7. Ligação de impedâncias através de transformadores de ligação de bainhas
Aplicação
Vantagens
- O esquema do transformador de ligação é eficaz na limitação das correntes de bainha induzidas, independentemente de as distâncias entre as caixas de cabos serem iguais ou desiguais.
Desvantagens
- É necessário espaço adicional no cofre.
- Os dispositivos de impedância são relativamente caros, uma vez que têm de ser concebidos para suportar correntes de defeito
- Durante o funcionamento normal, podem ser induzidos terceiros harmónicos na bainha, que podem causar interferências nas linhas de telecomunicações próximas.
- As correntes diretas dispersas que entram pela ligação à terra podem causar a saturação dos núcleos de ferro e perturbar o funcionamento dos reactores ou transformadores.
Considerações sobre a conceção
Conclusões
A ligação da bainha é um dos aspectos mais importantes do projeto, exigindo uma análise cuidadosa, para a transmissão de cabos de energia de alta tensão. A ligação da bainha do cabo serve uma multiplicidade de objectivos e tem um impacto significativo no custo global do sistema e na corrente nominal dos cabos.
