Inovação na rede coletora de energia de parques eólicos

INTRODUÇÃO

Para o funcionamento adequado dos parques eólicos, em sua construção é instalada uma infraestrutura que permite escoar a energia elétrica gerada até a conexão com o sistema elétrico. A sua composição contém rede coletora e subestação, que precisam funcionar adequadamente para que o parque eólico possa injetar na rede toda a energia produzida.
Quando essa infraestrutura não funciona de forma adequada, a rentabilidade esperada do parque eólico pode não ser atingida, pelos efeitos financeiros negativos da energia elétrica que poderia ser produzida, mas que não foi injetada no sistema elétrico.
Todo parque eólico possui o objetivo de apresentar elevada disponibilidade operativa, em função da necessidade de atendimento aos contratos de energia e suprimento da rede elétrica.
Essa disponibilidade depende de diversos fatores, sendo que a rede coletora de média tensão é um dos elementos do parque eólico que precisa atender a esse requisito.
Por esse motivo é muito importante realizar de forma adequada o projeto, instalação, comissionamento e operação da rede coletora. O presente artigo discorre sobre esses aspectos, aplicados diretamente em um estudo de caso.

REDE COLETORA DE PARQUES EÓLICOS

Os parques eólicos encontrados no Brasil são complexos que, em geral, possuem mais de 100 MW de capacidade instalada, contudo, por uma questão regulatória e estratégica, estes complexos são divididos em usinas de no máximo 30 MW.
A separação de grandes parques eólicos em usinas de potência igual ou inferior a 30 MW é realizada para que a energia elétrica produzida seja considerada incentivada e, por consequencia, receba o subsídio de desconto na Tarifa de Uso do Sistema de Distribuição ou Transmissão TUSD / TUST, que é repassada ao consumidor desta energia.
O reflexo dessa estratégia na rede elétrica representa que cada usina não pode ter mais do que 30 MW conectados em um ou mais circuitos até que passe pela medição.
Desde 2017 é possível a obtenção deste desconto para usinas que individualmente tenham até 300 MW. Já existem usinas que foram vendidas em leilões com potência maior do que 30 MW, mas que ainda estão sendo construídas [1].
Esta divisão por potência não representa necessariamente uma separação física dos aerogeradores, que tem como prioridade a disposição em locais de melhor aproveitamento do vento. Portanto, a rede elétrica coletora faz este papel de separação das usinas.
Os circuitos elétricos captam a energia produzida e atribuída a cada usina em função das suas características estabelecidas na outorga emitida pelo poder concedente e apresentadas no leilão, como por exemplo garantia física, potência instalada, além de um dos principais fatores que é a energia elétrica que já está vendida e acordada em contrato.
Como a potência de cada usina de 30 MW representa uma corrente elétrica muito elevada para ser conduzida por cabos de 34,5 kV de tensão elétrica (que é a tensão mais adequada para essa configuração), geralmente cada uma destas usinas possuem dois ou três circuitos elétricos.
Tendo em vista que a maior parte dos aerogeradores apresenta uma potência de aproximadamente 2 MW, cada usina de 30 MW possui cerca de 15 aerogeradores que se dividem entre os dois ou três circuitos elétricos, ficando com uma configuração típica semelhante a figura 1.

Figura 1: Arranjo típico de rede coletora com dois circuitos.

A figura 1 ilustra a situação de uma usina composta de 15 aerogeradores ligada a subestação elevadora. Em geral existe mais do que uma usina conectada a subestação, de acordo com a disponibilidade de geração do local, formando o complexo eólico.

COMPLEXO EÓLICO DE ARACATI

O complexo eólico de Aracati fica localizado no munício de Aracati, no estado do Ceará, a uma distância de 150 km de Fortaleza, próximo à divisa com o estado do Rio Grande do Norte.
Este complexo possui uma potência instalada de 140,7 MW, composto de 67 aerogeradores de 2,1 MW cada, divididos em 3 complexos menores de geração, sendo eles Bons Ventos com 50,4 MW, Canoa Quebrada com 58,8 MW e Enacel de 31,50 MW.
Junto aos aerogeradores há transformadores que elevam a tensão produzida para 34,5 kV, injetando na rede coletora. Essa rede conduz a energia elétrica até a subestão Aracati II que eleva para 230 kV, fazendo a conexão com o sistema elétrico interligado nacional.
Na subestação chegam 12 circuitos por um percurso único de aproximadamente 1,2 km (trecho A da figura 2). Destes 12 circuitos, 9 são oriundos dos parques Bons Ventos e Canoa Quebrada, sendo que eles percorrem em conjunto um trecho de aproximadamente 2,5 km (trecho B da figura 2) até o ponto de onde todos estes circuitos chegam a partir de encaminhamentos distintos. O trecho C da figura 2, que representa a chegada do parque Enacel, é um trecho curto onde há 3 circuitos juntos.

Figura 2 – Configuração simplificada da rede coletora do parque eólico de Aracati.

Este complexo eólico foi comprado pela CPFL em 2012 e no momento inicial foram identificados alguns problemas operacionais, em especial na rede coletora. Havia a ocorrência de desligamentos frequentes decorrentes de falhas nos cabos elétricos de média tensão.
A rede havia sido construída em região de dunas móveis e, desta forma, para realizar a manutenção havia necessidade escavar a areia até chegar nos cabos (em algumas situações a profundidade dos cabos chegava a 15 metros sob a areia). Tendo em vista a caracterísica da areia fina existente nas dunas, era difícil realizar novamente o enterramento, fazendo com que os cabos fossem deixamos expostos, conforme ilustra a figura 3.

Figura 3 – Rede coletora no momento da compra do parque eólico pela CPFL.

A situação encontrada pela CPFL no momento da compra do parque eólico era de uma condição operacional que não oferecia confiabilidade para a rede coletora. Adicionalmente ainda havia uma tendência de piora, tendo em vista o sol forte da região incidindo sobre os cabos e ainda havia emendas em que as blindagens estavam expostas, permitindo a entrada de areia e água de chuva nas camadas internas do cabo, conforme ilustrado na figura 4.

Figura 4 – Emenda da rede coletora no momento da compra do parque eólico pela CPFL.

Havia um problema em específico na blindagem, além da questão de exposição ao sol, chuva e areia. A corrente de curto-circuito monofásica existente na instalação era muito superior a capacidade da blindagem em escoá-la em situações de falhas, fazendo com que, em determinadas condições, a blindagem não suportava esse escoamento.

PROJETO DA NOVA REDE COLETORA DE ARACATI

Com o objetivo de resolver os problemas existentes na rede coletora, foi desenvolvido o projeto para construção de uma nova rede. Este projeto considerou uma nova rota para os trechos finais da rede coletora, trecho A da figura 2.
Os trechos que originalmente estavam construídos em dunas foram modificados para aproveitar as margens das vias de acesso existentes, sendo que em sua lateral foram construídas valas que permitiam a acomodação dos cabos de forma ordenada, identificada e com profundidade conhecida, conforme ilustra o novo encaminhamento na figura 5.
Desta forma, apesar da característica móvel das dunas, elas não encobriam o trecho por onde estavam instalados os cabos, tendo em vista que já fazia parte da operação da usina a remoção da areia das vias de acesso com o auxílio de escavadeira, e assim, o trecho por onde passam os cabos também era beneficiado com esse serviço.

Figura 5 – Rede coletora original (esquerda) e do novo projeto (direita).

Para aumentar a confiabilidade da rede coletora, o novo projeto implementou um conceito de manobras de contingência nunca empregados em redes coletoras de parques eólicos. Quando ocorre uma falha, após a identificação do local/trecho onde ela ocorreu, manobras podem ser executadas para remanejar a geração interrompida para outro circuito.
Inicialmente foi avaliada a alternativa de utilização de um circuito de reserva para os quais seriam remanejados os aerogeradores caso ocorresse falha em um dos circuitos no trecho da rede coletora projetada. Tal alternativa foi evitada pois representava a alternativa mais onerasa, tendo em vista que seria cerca de 3,7 kilometros de cabos que deveriam ser lançados apenas para a função de reserva.
Analisando a configuração dos circuitos e distribuição dos aerogeradores, obteve-se a seguinte condição dos 12 circuitos existentes:

  • 1 circuito coleta a energia de 4 aerogeradores;
  • 3 circuitos coletam a energia de 5 aerogeradores cada;
  • 8 circuitos coletam a energia de 6 aerogeradores cada;

Chegou-se a analisar a possibilidade de utilização de cabos com diversas seções, devido a existência de circuitos com correntes elétricas maiores e menores. Optou-se por utilizar duas seções de cabo.
Também foi avaliada a possibilidade de utilizar um ou mais cabos de seção superior ao necessário em condições normais, para suportar a carga de outro circuito caso ocorresse um defeito em um trecho do mesmo situado na nova rede coletora.
Considerou-se conveniente fazer uma avaliação de outra concepção básica para a rede coletora, consistindo de um dos 12 circuitos com condições para, em contingência, atender os aerogeradores conectados no mesmo mais os aerogeradores conectados em um dos outros circuitos.
O circuito 8 foi selecionado para atendimento de contingências, tendo em vista que ele possui a menor quantidade de aerogeradores conectados, 4 unidades, portanto apresentando a menor corrente elétrica em condições normais de operação.
Em emergência este circuito deveria atender a 10 geradores (acréscimo de 6 aerogeradores de um circuito que apresentou falha) correspondendo a uma carga de 382,4 A. Foram realizadas simulações com apoio de sistema computacional para analisar a condição de operação neste regime de contingência.
A conclusão é que nesta condição, com a geração máxima, o cabo ultrapassa a temperatura de 90 oC estabelecida pelo fabricante para operação em regime nominal, porém não ultrapassa 130 oC, que é uma condição de sobrecarga para o qual o cabo é projetado para operar até 500h ao longo de sua vida, conforme estabelece a NBR 7287 [2].
Tendo em vista que as falhas devem ser exporádicas, quando elas ocorrerem o reestabelecimento do problema deve ser rápido. Considerando também que, dentro de um dia, a geração atinge seu máximo de capacidade apenas por algumas horas, entendeu-se que esse dimensionamento poderia ser feito sem ultrapassar o tempo de sobrecarga estabelecido pela norma.
A definição do projeto optou portanto pela utilização da alternativa com menor custo total para atendimento de uma contingência onde todos os 8 circuitos com 6 aerogeradores são constituidos de cabos de 400 mm² em alumínio e os demais 4 circuitos são compostos com cabos de 300 mm². Mesmo o circuito 8 que possui 4 aerogeradores também usa a mesma seção dos outros 3 circuitos que possuem 5 aerogeradores, para atendimento a condição de contingência, conforme ilustra a figura 6.

Figura 6 – Configuração da nova rede coletora.

A inovação empregada nesta rede coletora, que foi adaptada de soluções existentes em redes de distribuição de energia, porém que não tem sido empregada em redes coletora de usinas eólicas, é a possibilidade de remanejar o escoamento da corrente elétrica de um circuito para outro por meio do emprego de centros de manobra.
Na figura 6 é possível notar que existem 2 centros de manobra, além das conexões realizadas na própria subestação. Ao invés do emprego de terminações comuns na extremidade dos cabos de média tensão, foram empregados terminais isolados desconectáveis, que permitem a rápida manobra dos cabos.
De acordo com o diagrama unifilar da rede coletora apresentado na figura 6, uma falha em qualquer circuito dos parques Bons Ventos e Cano Quebrada, com excessão do circuito 8, pode ter sua geração escoada para o circuito 8 por meio de uma manobra realizada na subestação e no Centro de Manobra 2 – CM-2. Caso a falha ocorra no circuito 8 a manobra deve se realizada nos mesmos locais, escolhendo um dos demais circuitos que interliga o CM-2 a subestação.
Se ocorrer uma falha em um dos circuitos do parque Enacel, deve ser realizada a manobra na Subestação e no Centro de Manobra 1 – CM-1, para remanejar a geração para utilizar o trecho final do circuito 8.
Adicionalmente, caso venha a ocorrer alguma falha, foram instalados localizadores de falha em pontos estratégicos da nova rede coletora, de forma a indicar qual cabo do circuito apresentou falha e em qual trecho ocorreu o problema. Desta forma é reduzido o tempo para reestabelecimento da condição normal de operação.
Para compatibilizar o dimensionamento da blindagem dos cabos com a corrente de curto-circuito monofásica, foram instalados limitadores de corrente no ponto central do fechamento do enrolamento dos transformadores da subestação, antes da conexão à terra.

COMISSIONAMENTO DA REDE COLETORA DE ARACATI

Para assegurar que o projeto iria alcançar os resultados esperados de aumento da confiabilidade da rede, a construção foi planejada com os cuidados necessários para que fosse preservada a integridade dos cabos, centros de manobra e demais acessórios utilizados.
A certificação do alcance dos resultados esperados foi feita com o planejamento e realização do comissionamento, que foi realizado em duas etapas, seguindo premissas estabelecidas no Guia do IEEE 400.2.
Após o lançamento dos cabos, mas antes da instalação de terminações e emendas, foi realizado o ensaio de tensão aplicada em corrente alternada e baixa frequência, conhecido como Very Low Frequency – VLF, seguindo o protocolo denominado “instalação” pela IEEE 400.2.
Neste ensaio é possível verificar se o lançamento dos cabos pode ter causado algum tipo de defeito. O resultado destes testes não identificou nenhum problema, sendo os mesmos aprovados integralmente.
O comissionamento final da nova rede coletora foi realizado após a instalação das terminações, quando o cabo já estava pronto para ser ligado. Nesta etapa foram realizados os ensaios de tensão aplicada em VLF e também a medição de tangente delta. O ensaio de VLF seguiu o protocolo de “aceitação” estabelecido no Guia IEEE 400.2.
O resultado apontou para condições adequadas dos cabos que estavam em perfeitas condições, prontos para entrar em operação.

RESULTADOS DO DESEMPENHO DA NOVA REDE COLETORA

Em junho de 2018 foi concluída a construção e comissionamento da nova rede coletora do complexo eólico de Aracati, iniciando a sua utilização em condições normais de operação. Para avaliar o resultado do seu desempenho é importante analisar o histórico de ocorrências de falhas nesta rede, conforme descrito na tabela 1.

Tabela 1 – Histórico de ocorrências de falhas na rede coletora

Portanto, neste histórico de 6 anos do complexo eólico de Aracati desde quando a CPFL Renováveis adquiriu a usina, em média ocorreram 17 falhas por ano, que deixou algum circuito sem injetar a geração na rede em média 500 h em cada ano, ou seja, pouco mais de 29 h para reparar cada falha.
Tendo em vista que os cabos não estavam lançados de forma ordenada e identificada, ao escavar as dunas para realizar a localização da falha era necessário desligar mais alguns circuitos para localizar qual apresentou a falha. Por esse motivo será considerada nessa análise que em média foram desligados 2 circuitos durante o tempo descrito na tabela 1.
Considerando os circuitos com quantidade intermediária de 5 aerogeradores de 2,1 MW de potência neste complexo eólico, cada desligamento dos dois circuitos deixa de permitir a injeção da potência máxima de 20,1 MW. Contudo, os parques não geram a plena capacidade em período integral, deve-se considerar o fator de capacidade de geração, que neste complexo eólico é de aproximadamente 0,38. Este cálculo resulta em um montante de 3.990 MWh que deixaram de ser injetados anualmente entre 2012 e 2017.
Esta energia que não foi gerada, caso precisasse ser comprada no mercado de curto prazo, para honrar os contratos firmados, ao Preço de Liquidação das Diferenças – PLD, que em 2018 teve o valor médio de R$ 273,90. Portanto, multiplicando este valor pelos 3.990 MWh que em média não foram injetados anualmente, o resultado é uma despesa na liquidação do mercado de curto prazo de R$ 1,1 milhão todo ano devido aos problemas existentes na rede coletora.
Para completar a análise financeira da situação anterior ao projeto, deve-se considerar que reparar essas 17 falhas médias por ano também possui despesa associada para contratar pessoal, maquinário e equipamento especializado para localizar e reparar a falha.
Considerando que este trabalho representa uma despesa aproximada de R$ 20 mil por falha, as 17 falhas anuais resultam em uma despesa de R$ 340 mil para realizar o seu reparo. Este montante, somado a despesa adicional na liquidação do curto prazo, resulta em uma despesa de aproximadamente R$ 1,5 milhão decorrente das falhas na rede coletora todo ano.
Após a realização da instalação da nova rede, que foi concluída em junho de 2018, houve apenas uma única ocorrência ao longo do segundo semestre de 2018, logo no primeiro mês de operação da nova rede, devido a uma falha em uma emenda entre a rede nova e a antiga.
Este único problema impactou apenas 1 circuito, diferente da condição anterior que precisava desligar mais do que 1, e foi reparado em 8h15, quando a média anterior era de pouco mais de 29 h.
Adicionalmente vale analisar que a ocorrência de falhas no início da operação da rede é um fato que pode ser considerado esperado pelo conceito de mortalidade infantil que, dentro de um processo de gestão de ativos, considera a possibilidade mais iminente de falhas na fase inicial de operação do ativo, e posteriormente ao longo de sua vida útil, essas ocorrências são reduzidas. Esta é uma situação diferente da encontrada anteriormente que ao longo de 6 anos de histórico a ocorrência de falhas era constante e em número elevado.
A construção da nova rede coletora representou uma despesa de aproximadamente R$ 13 milhões. Portanto, o pay-back simples sobre o projeto foi de aproximadamente 8 anos e meio. Considerando que a usina possui um período de concessão de 20 anos, o projeto apresentou-se viável economicamente.
Os cálculos foram feitos considerando a falha nos circuitos de 5 aerogeradores. Algumas das falhas ocorridas impactaram circuitos com 6 aerogeradores. Neste caso a viabilidade se apresentaria melhor, pois as constantes falhas impediriam a injeção na rede de uma energia ainda maior do que a considerada nesse cálculo dos circuitos de 5 aerogeradores.
Além do aspecto econômico, o aumento da confiabilidade da rede coletora resultou em grande melhora na condição operacional do complexo eólico, pois as constantes falhas na rede dificultavam muito a operação.
Havia ainda um tendência de piora da condição operacional que foi eliminada, pois os cabos estavam submetidos ao sol e chuva, além da existência de emendas com blindagem exposta.
Toda a rede tinha o risco de entrar em colapso, tendo em vista o problema adicional existente de incompatibilidade da corrente monofásica de curto-circuito com a seção da blindagem dos cabos, que foi resolvido com este projeto.

CONCLUSÃO

Com o desenvolvimento deste trabalho conclui-se que a rede coletora de energia elétrica possui um papel muito importante na operação de um parque eólico. Caso essa rede apresente falhas constantes, a rentabilidade financeira do empreendimento fica comprometida.
Este trabalho relatou a implementação de um conceito de flexibilidade operativa na rede coletora, que confere a possibilidade da realização de manobras de remanejamento da geração em situações de contingência, até que seja feito o reestabelecimento das condições normais de funcionamento.
Os centros de manobra implementados, associados ao conceito de aplicação de terminais desconectáveis ao invés de terminações comuns, permite a rápida realização de manobra deste tipo de instalação em condições de contingência.
A implementação dos conceitos de manobra e flexibilidade operativa se apresentaram muito vantajosos e merecem serem avaliados no projeto original das redes coletoras, pois evitam elevados montantes de perda de receita para realizar manutenção nos casos de ocorrência de falha na rede coletora.
Caso os conceitos de projeto apresentados neste trabalho tivessem sido implementados no projeto original, o custo adicional em relação a rede tradicional seria muito menor do que o valor requerido neste projeto, resultando em uma elevada viabilidade.

REFERÊNCIAS

[1] Aneel – Agência Nacional de Energia Elétrica. Resolução Normativa N° 745 de 22 de novembro de 2016. Brasília.
[2] ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7287 – Cabos de potência com isolação sólida extrudada de polietileno reticulado (XLPE) para tensões de isolamento de 1 kV a 35 kV. Rio de Janeiro, 2019.

Atualizado em 13 de outubro de 2021 por Daniel Bento e Felipe Oliveira

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