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Um pouco por todo o mundo assiste-se ao aumento da instalação de plataformas offshore, muito particularmente as que se destinam à prospecção e extracção de petróleo e gás natural e à instalação de aerogeradores. Artigo técnico de Engº Manuel Bolotinha.
1. INTRODUÇÃO
Estas plataformas necessitam de estabelecer ligações eléctricas (de potência) e de comunicação com o continente (main land) seja para alimentação em energia eléctrica (caso das plataformas de prospecção e extracção, uma vez que estas plataformas não dispõem de equipamentos de produção de energia com capacidade de gerar a potência de que necessitam) seja para fornecerem à rede a energia produzida (caso das plataformas com aerogeradores).
Também as comunicações com o continente se revelam um aspecto fundamental da exploração das plataformas quer seja para a transmissão e recepção de dados de comando e controle quer seja para as comunicações (voz, internet, etc.) dos trabalhadores que nelas permanecem e a informação e/ou pedidos de auxílio em caso de doença ou acidentes, pessoais ou com os equipamentos.
Para cumprir estas funções são utilizados cabos submarinos, assentes no fundo do mar, de que a Figura 1 apresenta uma representação esquemática da sua ligação.
Figura 1 – Representação esquemática da ligação de um cabo submarino
Os cabos submarinos são também utilizados, com os objectivos atrás referidos, para as ligações de energia eléctrica e de comunicações em outras diversas situações, tais como alimentação de pequenas ilhas e interligação quer de energia eléctrica quer de comunicações ente países e mesmo continentes.
Face à importância deste tipo de cabos, este paper destina-se a fazer uma apresentação sumária dos cabos submarinos, tecnologias e dos princípios de instalação.
2. CABOS SUBMARINOS
Os cabos submarinos, que devem obedecer ao estipulado na Norma IEC (1) 60228, são construídos especificamente para serem instalados sob a superfície da água, habitualmente assentes no fundo do mar, tendo em atenção que o fundo do mar é acidentado e rochoso, existem animais marinhos que podem causar danos no cabo e é necessário garantir que o cabo resista a tsunamis e actividade vulcânica, bem como às operações das frotas pesqueiras.
A determinação das características de um cabo submarino deve ter em consideração os seguintes parâmetros:
- Temperatura do fundo do mar e temperatura ambiente no exterior.
- Profundidade de instalação.
- Protecção mecânica requerida na aproximação a terra e à plataforma, e nas condições de enterramento.
- Resistividade térmica do fundo do mar e do solo.
- Espaçamento entre cabos.
- Comprimento.
Os cabos submarinos são normalmente fabricados para tensões estipuladas (2) entre 3,6/6(7,2) KV e 290/500(525) kV para corrente alternada e para valores superiores para utilização em corrente contínua.
Dependendo da tensão estipulada e da bitola (para corrente contínua alguns fabricantes constroem estes cabos com bitolas até 2500 mm2 e tensões nominais da rede até 725 kV) podem ser monopolares ou tripolares.
As principais características construtivas destes cabos são:
- Alma condutora: cobre ou alumínio. Nos casos de grandes profundidades de instalação, se necessário, a alma condutora é selada com materiais apropriados, para evitar a penetração de água.
- Isolamento: XLPE, EPR (3) ou papel impregnado com massa (MIND).
- Blindagem: Fitas ou fios de cobre e bainha de chumbo.
Armadura: Fios de aço galvanizado (cabos tripolares; em cabos unipolares a armadura deve ser de material não magnético (4). A armadura, para além da
- protecção mecânica, confere ao cabo a rigidez necessária para suportar os esforços de tração durante o desenrolamento e montagem.
- Bainha exterior: PVC ou polietileno (PE) com camadas adicionais de juta ou fios de polipropileno para protecção contra o ingresso de água.
À semelhança dos cabos utilizados na proteção contra surtos das linhas aéreas (cabo tipo OPGW (5) – Optical Power Ground Wire), os cabos submarinos tripolares também podem conter no interior cabos de fibra óptica, para comunicação.
A Figura 2 mostra um exemplo de um cabo submarino tripolar.
Figura 2 – Cabo submarino tripolar
Quando são utilizados cabos monopolares, habitualmente os cabos submarinos não incorporam fibras ópticas, pelo que é necessário instalar cabos submarinos de fibra óptica, dos quais se apresenta um exemplo na Figura 3.
Figura 3 – Cabo submarino de fibra óptica
Alguns fabricantes incluem também no mesmo cabo submarino dois circuitos de potência, normalmente com a mesma tensão estipulada, cabos de baixa tensão (BT), vários conjuntos de fibras ópticas e tubagem em aço para fluidos, como se representa na Figura 4. A literatura inglesa designa este tipo de cabos, com pelo menos uma das facilidades indicadas, por power umbilical cables.
Figura 4 – Power umbilical cable
3. INSTALAÇÃO DE CABOS SUBMARINOS
A instalação de um cabo submarino é uma operação complexa, com riscos e dispendiosa, pressupondo uma série de passos preliminares antes de do início da instalação.
Em primeiro lugar é necessário escolher o traçado, utilizando cartas náuticas, avaliar as condições geológicas do traçado escolhido e proceder ao reconhecimento do fundo do mar, designadamente no que se refere à batimetria (profundidade), inclinação e a existência de acidentes topográficos, litologia (natureza do fundo do mar), condições ambientais (temperatura, salinidade pH, etc.) e os processos dinâmicos que podem acontecer no fundo do mar, tais como ondulação e correntes, ou que o possam afectar (tsunamis, erupções vulcânicas, corrente de sedimentos, etc.).
Seleccionado o traçado e concluídos todos os reconhecimentos e estudos do fundo do mar é necessário averiguar se existirão troços em que o cabo submarino deva ser enterrado e desenvolver tecnologias específicas para vigiar em permanência o local onde o cabo é montado, para que a sua instalação seja feita sem que o mesmo seja perdido ou danificado.
A instalação de cabos submarinos, de que mostra um exemplo nas Figuras 5 e 6, faz-se com embarcações próprias para esse fim, podendo ser utilizados robôs (ver Figura 7) para controlar essas operações.
Figura 5 – Embarcação para montagem de cabo submarino
Figura 6 – Montagem de cabo submarino
Figura 7 – Robô para montagem de cabo submarino
Depois de instalados, os cabos submarinos o seu traçado deve ser localizado em cartas náuticas, para uma fácil identificação por outros usuários marítimos.
4. CAIXAS DE UNIÃO DE CABOS SUBMARINOS DE POTÊNCIA
Os cabos submarinos podem ter um traçado mais ou menos longo, pelo que a instalação de caixas de união pode ser necessária.
Essas caixas de união, que são sujeitas a grandes pressões, são executadas antes da instalação do cabo (ver Figura 8), e sujeitas a ensaios de isolamento e rigidez dielétrica, por aplicação de tensão, e a testes radiográficos ou de ultra-sons, para garantir a fiabilidade do sistema.
Figura 8 – Montagem de cabo submarino com caixa de união
Na Figura 8 apresenta-se a constituição de uma caixa de união para cabo submarino.
Figura 9 – Constituição de uma caixa de união para cabo submarino
[1] IEC: International Electrotechnical Comission.
[2] Valor estipulado (para equipamentos): Valor de uma grandeza fixado, em regra, pelo fabricante para um dado funcionamento especificado de um componente, de um dispositivo ou de um equipamento; este valor corresponde ao anteriormente designado por “valor nominal”, designação que actualmente é apenas utilizada para redes.
Os cabos isolados são definidos pelas tensões U0/U(Um), onde U0 é a tensão estipulada à frequência industrial entre condutor e blindagem ou bainha (valor eficaz), U é a tensão estipulada à frequência industrial entre quaisquer dois condutores (valor eficaz) e Um é a tensão mais elevada à frequência industrial entre quaisquer dois condutores (valor eficaz), para a qual o cabo e seus acessórios foram concebidos.
[3] XLPE: Polietileno reticulado. EPR: Borracha de etileno-propileno.
[4] Uma armadura em material magnético, devido ao fenómeno de indução magnética é percorrida por correntes induzidas (ou de Foucault) que, por efeito de Joule, provocam o aquecimento da armadura e o consequente dano no isolamento do cabo.
[5] Cabo que contém uma estrutura tubular com um ou mais cabos de fibra ótica destinados à comunicação entre subestações e/ou centros de operação de rede, rodeada por camadas de fio de aço ou alumínio, que serve de protecção contra surtos.
[6] IP: índice de protecção dos equipamentos contra a penetração de corpos sólidos e água – Norma IEC 60529.
AUTOR: Engº Manuel Bolotinha
Engenheiro Eletricista – Energia e Sistemas de Potência (IST – 1974)
Mestre em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores (FCT-UNL – 2017)
Consultor em Subestações e Formador Profissional