Thesis (MTech (Electrical Engineering))--Cape Peninsula University of Technology, 2017. / Transmission lines are a vital part of the electrical distribution system, as they provide the path to transfer power between generation and load. Factors like de-regulated market environment, economics, etc. have pushed utilities to operate transmission lines close to their operating limits. Any fault, if not detected and isolated quickly will cascade into a system wide disturbance causing widespread outages for a tightly interconnected system operating close to its limits. Current differential criterion is used with success to protect various elements in power systems, i.e. transmission lines, power transformers, generators and busbars. The alpha plane differential relaying system provides sensitive protection for transmission lines, security and dependability for external faults. This thesis focuses on three terminal alpha plane differential protection with the aim to develop a complete test method using OMICRON test universe software essentially defining security, dependability and sensitivity of the alpha plane characteristic. The research analyses the three terminal alpha plane characteristic and existing primitive test methods and develops an improved test method using IEC 61850 standard. The primitive methods are time consuming and result in unnecessary prolonged outages. These methods have been discussed and improved in the thesis by implementing IEC 61850 standard. First the standard IED Capability Description (ICD) file is modified by developing new logical nodes using AcSELerator Architect and XML Maker software. Then the developed logical nodes, three terminal differential protection alpha plane characteristic with its additional infeed/outfeed check logic, and the developed test method are tested simultaneously using Test Universe software. A laboratory test bench is built using three SEL311L relays, two CMC 356 Omicron injection devices, PC, MOXA switch, CMIRIG-B time synchronising unit, SEL 2407 satellite synchronised clock, and a DC power supplier. The test method developed in this research vindicates benefits of IEC 61850 standard over hard wired systems. Prolonged outage times due to test set preparation using hard wires are drastically reduced. The thesis findings and deliverables will be used as a solution to industrial problems, postgraduate studies of other students and research project.

Orientador: José Alfredo Covolan Ulson / Banca: Paulo Roberto de Aguiar / Banca: José Carlos de Melo Vieira Junior / Resumo: O presente trabalho possui como foco principal a apresentação de proposições técnicas para a avaliação da suscetibilidade eletromagnética de cabos metálicos isolados, blindados ou não, para atender aos sistemas de supervisão, proteção, comunicação e controle de subestações de alta tensão frente às interferências eletromagnéticas provocadas pelas descargas atmosféricas, manobras de chaveamento, campo magnético na frequência de 60Hz e do efeito corona. Para a realização destas proposições foram analisados e estudados diversos cabos usados em uma subestação de 440kV. A diretriz metodológica adotada nesta pesquisa incorporou simulações de modelo computacional, ensaios laboratoriais recomendados pelas normas e publicações técnicas correlatas com a finalidade de identificar os efeitos provocados pelas interferências eletromagnéticas nesses cabos. Os resultados obtidos conduziram a uma análise da interferência eletromagnética nos diversos cabos avaliados fornecendo, assim, um valor de imunidade de cada cabo estudado. Constatou-se que os cabos sem blindagem devem ser usados com reservas e podem ser instalados em sistemas poucos sujeitos a interferências eletromagnéticas ou promover uma blindagem adicional. Os cabos blindados, menos suscetível a interferências eletromagnéticas, podem ser instalados em pátios de subestações, entretanto devem-se tomar os devidos cuidados com o aterramento da blindagem. Desta forma, a pesquisa realizada contribuiu para o desenvolvimento de um procedimento técnico para o uso adequado de cabos em questão visando minimizar os efeitos provocados pelas interferências eletromagnéticas nos sistemas de supervisão, proteção, comunicação e controle presentes em subestações de alta tensão. / Abstract: The main focus of this work is the presentation of technical propositions to assessing the electromagnetic susceptibility of isolated metallic cable, shielded or not, in order to comply with the supervision, protection, communication and control systems of high voltage substations in the presence of electromagnetic interferences caused by lightning discharge, switching maneuver, electromagnetic field at 60Hz and corona effect. Several cables used in 440 kV substation were analyzed and studied for accomplishing these propositions. The methodological guideline adopted in this research has included simulations of computational models, laboratorial tests recommended by standards and technical publications correlated in order to identifying the effects provoked by electromagnetic interferences to these cables. The obtained results led to an analysis of the electromagnetic interference in the several cables assessed, thus providing a value of immunity for each cable studied. It was verified that cable without shielding must be employed with restrictions and can be installed in systems which are little subject to electromagnetic interference or to promote an additional shielding. The shielding cables less susceptible to the electromagnetic interference can be installed in substation courtyard; however, it is important to pay special attention to the grounding of the shielding. Thus, this research contributed to the development of a technical proceeding for employing the mentioned cables suitably, aiming at minimizing the effects provoked by the electromagnetic interferences in the supervision, protection, communication and control systems which are present at the high voltage substations. / Mestre

As pontes estaiadas vêm sendo cada vez mais utilizadas no país, seja pela competitividade alcançada em função do domínio da tecnologia por parte dos empreiteiros e calculistas, seja pelo apelo estético. Os cabos, principais componentes deste sistema estrutural, que conferem o caráter altamente hiperestático e o comportamento não linear da estrutura são, em muitos modelos, numericamente simulados como um elemento de treliça, com a sua rigidez calculada em função da geometria e nível de carregamento do cabo. No presente trabalho é verificada a influência da componente tangencial do peso próprio do cabo, desprezada por Dishinger no cálculo da rigidez equivalente do elemento de cabo, comparada com o método proposto por Hajdn. Os resultados também são comparados com os da modelagem do cabo discretizado em elementos de treliça, seguindo a Formulação Posicional dos Elementos Finitos, que se mostrou bastante eficaz para simulação do cabo isolado, onde a capacidade de representar o comportamento do cabo foi verificada através de exemplos que mostram aspectos do comportamento não linear do mesmo. / Cable stayed bridges are being increasingly used in Brazil due to the recent master on this technology by the builders and designers and because of its aesthetics appealing. The principal components of this type of bridge, the cables, responsible for high non-linear behavior of the structure, are frequently modeled as truss element with its stiffness evaluated according to the tension and horizontal projection of the span of the cable. On the present paper the influence by neglecting the tangential component of the weight of the cable on Dishingers formula is investigated. The results are compared with the formula by Hajdn and with a model in which the cable is discretized in truss bars in a program based on the Positional Finite Element Method which has presented good results to describe the non-linear behavior of the cable.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:32:36Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:10:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 03267.pdf: 2564353 bytes, checksum: 17a5e3fd6d69d57ed9339da8c448cbba (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

A indústria eletro-eletrônica vem aumentando a quantidade de sucatas geradas anualmente. Por este motivo necessita-se de reciclagem, para que se evite o desperdício de matérias-primas e de recursos naturais não-renováveis. A maioria dos produtos eletro-eletrônicos não recebe tratamento pós-consumo sendo depositada em aterros sanitários junto com o resíduo doméstico.Os resíduos eletro-eletrônicos são caracterizados pela presença de metais distribuídos em placas de circuito impresso, fios e cabos elétricos e componentes eletrônicos em geral. No caso da reciclagem de fios e cabos ainda persistem práticas incorretas, como a queima do plástico para aproveitamento do metal, que elimina o polímero em vez de aproveitá-lo. A solução para este problema está no reaproveitamento destes metais e polímeros contidos nos resíduos eletro-eletrônicos. Assim, deixarão de ser perdidas quantidades de alumínio, cobre, e polímeros presentes nos cabos, os quais poderão gerar receitas para o processo, já que estes são indispensáveis ao processo de fabricação. O objetivo deste trabalho é estudar a reciclagem dos cabos tipo cordão paralelo e flexível através de operações unitárias de Tratamento de Minérios. O tratamento da sucata iniciou-se com a seguinte seqüência: moagem, separação granulométrica, separação em meio denso, separação eletrostática, atrição, bateamento e elutriação. Ao final destes processos observou-se que as operações unitárias utilizadas na pesquisa obtiveram concentrados de cobre com baixo grau de contaminação, porém com exceção da elutriação, todas precisam de uma outra técnica para complementá-las. Com os resultados obtidos, concluiu-se que a moagem em moinho de facas com grelha de 3mm seguida de elutriação possibilita a separação do material polimérico, assim como, a obtenção de um concentrado de cobre. / The electro-electronics industry follows increasing the amount of scraps annually generated. For this reason it is necessary to recycle, so that it prevents the waste of raw materials and not renovable natural resources. The majority of the electro-electronic products do not receive any treatment after use and is disposed in municipal landfills together with solid wastes (MSW). The electro-electronic wastes are characterized by metal presence distributed in printed circuits, wires and cables and electronic components in general. In the case of the recycling of wires and cables incorrect practices still persist, as the burning of the plastic for recovery of the metal, thus eliminating the polymer instead of using it to advantage. The solution for this problem is in the recovery of the metals and polymers contained in the electro-electronic wastes. Thus, amounts of aluminum, copper, and polymers contained in the cables will not be lost, that way they will be able to generate resources for the process, since these substances are indispensable to the manufacture process. The objective of this work is to study the recycling of the parallel and flexible cables through Mineral Processing unit operations. The treatment of the scrap was initiated with the following sequence: grinding, size classification, density separation, electrostatic separation, attrition, panning and elutrition. To the end of this process concentrate conductor of copper with low degree of contamination were achieved. However, with exception of elutrition, all they need another technique to complement them. With the gotten results, it can be concluded that the milling in knives mill with 3mm grate followed of elutrition makes possible the separation of the polymeric material, as well as, the attainment of a copper concentrate.

Os cerca de 107.000 km de linhas de transmissão existentes no Brasil, nas tensões de 138/230/345/440/500/750 kV (corrente alternada), e 600 kV (corrente continua), atravessam parques nacionais ou estaduais, estradas, rios e parte se encontra com sobrecarga. O aumento da capacidade de carregamento das linhas de transmissão, se feito da forma tradicional, com a substituição ou reforço nas estruturas e fundações, em faixas que cruzam áreas consideradas de preservação ambiental permanente, exige obras adicionais que alteram o meio ambiente e desta forma, com os rigores da atual legislação ambiental, torna inviável tais alterações ou substituição. Uma das formas encontradas é a utilização de novas tecnologias em cabos condutores aéreos. Este trabalho tem a finalidade de pesquisar as necessidades do recondutoramento da linha de transmissão, com a minimização/eliminação dos danos ao meio ambiente. Uma das alternativas encontradas é a utilização de cabos especiais, que por se tratar de nova tecnologia em cabos, e considerando o desconhecimento de seu desempenho efetivo em condições reais, surge a necessidade da verificação de seu comportamento. Este trabalho apresenta a análise de casos no Brasil e o desenvolvimento piloto de um sistema de monitoramento em tempo real, através de medições diretas e indiretas, no trecho de linha de transmissão onde foi instalado um condutor de nova tecnologia, a fim de acompanhar o desempenho das características elétricas e mecânicas do novo condutor. Como resultado final foram validados os valores de projeto da ampliação da capacidade da linha de transmissão, sem impactos ao meio ambiente. / The approximately 107,000 km of transmission lines existing in Brazil, operating at 138 kV, 230 kV, 345 kV, 440 kV, 500 kV, 750 kV(ac) and 600 kV(dc), regularly encounter and cross state or national parks as well as highways, rivers and parks. Due to the ever increasing demand of power most of these transmission lines are at present overloaded. Increasing the loading capacity of these transmission lines in the traditional way (i.e. by substituting or reinforcing the structures and foundations in areas of permanent preservation) require additional works that may alter the environment; thus, making unfeasible the application of such alterations in view of the current strict environmental regulations. One way to cope with such a problem is through the utilization of new technologies applied to cables. Therefore, the objective of this work is to investigate the alternative of reconductoring a transmission line causing a minimum damage (and if possible eliminating this damage) to the environment. One of the alternatives found is the use of special cables which due to its relatively new introduction and technology to the power industry demands a thorough study on issues like the performance and verification of its behavior under real conditions. This work presents the development of a real-time monitoring system through direct and indirect measurements performed on a transmission line segment where a special conductor was installed. During the course of the research the performance of the new conductor regarding its electrical and mechanical characteristics was monitored. The measurements performed showed to be coherent with those obtained during the design of the transmission line.

Current cabling systems in cars are about to be, completely or partially, replaced by a cabling technology called flexible flat cables, FFCs. This new technology requires tools that can assist engineers in the design process of the cable layouts. The aim of this thesis is to develop a software demonstrator of a concept tool for this purpose. The task is divided into three problem areas. Topology modeling, optimization and visualization. An editor is to be implemented which handles creation and modification of topologies which represents FFC harnesses. The optimization is performed using global and local routing. The global routing handles optimization on topology level, defining net paths in the topology. Local routing handles the exact net placement on each bus cable. Finally, the local routing solutions should be graphically presented to the user. The topology modeling requirement was implemented as a graph layouteditor. Global routing is performed using graph search techniques and local routing is based on VLSI channel routing methods. Visualization is implemented for the local routing solutions using the SVG format. The developed application handles most of the requirements. The editor has support for an XML netlist which is used for specifying connectors and nets used in the topology. Global routing and local routing can be performed on the topology. Prerouting of nets can be performed on both global and local level. Support for assigning specific cables, from a library, to bus cables is possible.

Ingeniero Civil Electricista / Debido al constante incremento en la demanda de energía y al actual nivel de carga de las líneas de transmisión, se hace cada vez más necesaria la expansión del sistema de transmisión. En ocasiones la instalación de líneas de transmisión aéreas no es posible o conveniente. Esto ocurre cuando el trazado de la línea pasa por zonas donde existen obstáculos muy difíciles de sortear, como ríos, cruces de aeropuertos, zonas expuestas a avalanchas o zonas densamente pobladas. En estos casos una alternativa viable es la instalación de líneas subterráneas. En este trabajo se realiza un estudio de las distintas tecnologías de cables de potencia disponibles para líneas subterráneas en alta tensión AC, identificando los principales parámetros que permiten obtener una estimación preliminar de la capacidad de la línea directamente enterrados. Posteriormente se implementa una línea de transmisión de este tipo en el Sistema Interconectado Central entre las subestaciones Lo Aguirre y Cerro Navia. Para lograr una estimación de la capacidad de la línea subterránea, en primer lugar se determina los parámetros de diseño de los cables de potencia AC, con los que se modela una línea subterránea. Luego, identificando las condiciones de operación y ambientales que influyen en la capacidad de la línea, se busca establecer una relación entre la potencia activa que es posible transmitir a través de la línea subterránea en función de su longitud. Al tener una estimación de la capacidad de las líneas subterráneas, se realiza un estudio de flujo de potencia, con la herramienta computacional DigSILENT Power Factory y la base de datos del SIC del año 2010, con la intención de evaluar el comportamiento de la línea subterránea que conectara las subestaciones Lo Aguirre y Cerro Navia. De los resultados se concluye que la capacidad de la línea subterránea difiere considerablemente dependiendo de la tecnología del cable. La cargabilidad y longitud máxima de la línea queda restringida térmicamente, y eventualmente por variación de tensión. Se verifica que los cables son una fuente de reactivos que está sujeta al nivel de carga de la línea. Por lo que la implementación de una línea subterránea directamente enterrada a 220 kV en el SIC es factible hasta unos 33 km, pero se debe tener en consideración que su cargabilidad depende de la longitud de la línea y que la compensación de reactivos podría ser necesaria en algunas condiciones de operación.

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Tubos flexíveis e cabos umbilicais têm sido bastante utilizados pela indústria petrolífera em aplicações offshore nos últimos anos. Os primeiros consistem num tipo de tubulação usada para o transporte de vários tipos de fluidos, geralmente trabalhando a alta pressão. Já os cabos umbilicais são usados para permitir o controle e a comunicação entre equipamentos submersos e de superfície. Quanto à concepção estrutural, os dois tipos de produto são muito semelhantes, apresentando diversas camadas metálicas combinadas com camadas plásticas concêntricas de modo a formar uma estrutura com grande rigidez axial e torcional, porém baixa rigidez flexional. O escopo deste trabalho é o estudo de modelos analíticos para a previsão do comportamento estrutural de tubos flexíveis e cabos umbilicais. Inicialmente são propostos modelos para a análise local destas estruturas, sob a ação de carregamentos de tração, torção, pressão interna, externa e flexão, agindo isoladamente ou combinados. São propostos modelos analíticos consistentes para cada camada, resultando num sistema de equações algébricas que, ao ser resolvido, fornece os valores de tensões e deformações nas diversas camadas, bem como os valores de rigidez equivalente axial, flexional e torcional do tubo/cabo. São feitas várias comparações entre os resultados obtidos analiticamente e resultados experimentais obtidos na literatura para diversos tubos e cabos. A importância dos modelos desenvolvidos fica evidente numa análise do comportamento global para a previsão de instabilidade de linhas sob carregamento combinado de torção e compressão dinâmica. Através de uma análise consistente, mostra-se que a clássica equação de Greenhill também pode ser utilizada para a determinação das cargas críticas de flambagem em barras curvas de grande comprimento, sendo o comprimento de flambagem da barra estimado a partir da relação de dispersão de onda flexional numa viga reta. Vários exemplos de determinação da carga crítica de flambagem são abordados, envolvendo tanto risers rígidos quanto flexíveis. Uma atenção especial ao estabelecimento e discussão de hipóteses é dada em todos os modelos propostos. / Flexible pipes and umbilical cables have been largely used by the oil industry in offshore applications in these last years. The former are a kind of pipeline structure used for conducting several fluids, often working at high pressure, while the latter are cables used to provide control and communication links between seafloor and surface equipments. Regarding their structural design, both flexible pipes and umbilicals are quite similar, presenting a number of steel armour layers combined with polymeric layers disposed in such a way to form a structure which is stiff under torsion and traction, but compliant under bending. The aim of this work is the study of analytical models to predict the structural behaviour of flexible pipes and umbilicals. At first, local analysis of such structures is undertaken, considering combined loadings of traction, torsion, internal and external pressures and bending. Consistent analytical models, proposed for each layer, are then combined to result in a system of algebraic equations that is solved for the stresses and deformations in the layers. Equivalent axial, torsional and flexural stiffness values for the pipe/umbilical are also obtained. Several comparisons between analytical results and experimental results obtained in the literature are also made, involving both flexible pipes and umbilicals. The importance of the developed models is highlighted in an analysis of the global structural behaviour made to predict the instability condition of flexible lines under the action of dynamic compression and twisting moment. Through a consistent analysis, it is shown that the classical Greenhill formula can also be used to determine critical buckling loads for long curved rods. In this case, an estimate for the buckling lenght is given by the flexural wave dispersion relation of a straight beam. Several examples, involving both SCRs and flexible pipes, illustrate the method of critical buckling load determination. Emphasis is also given in the establishment and discussion of hypotheses for all proposed models.