Impact of Inhomogeneous Ice Accretion on Conductor Aerodynamic Stability

Resumo Técnico: Impacto da Acréscimo de Gelo Inhomogêneo na Estabilidade Aerodinâmica de Condutores

Definição do Problema
A operação estável de linhas de transmissão é crítica para o desenvolvimento socioeconômico nacional, contudo, a expansão das redes elétricas atravessa cada vez mais terrenos complexos propensos a condições climáticas extremas. O galope induzido por gelo permanece como uma ameação severa, capaz de causar fraturas em condutores, colapsos de torres e arcos elétricos fase-fase. Embora a literatura existente investigue extensivamente as características aerodinâmicas em relação a fatores ambientais (velocidade do vento, turbulência), parâmetros de formação de gelo (espessura, rugosidade) e configurações de condutores (arranjos de feixes), há uma lacuna notável na pesquisa relativa à não uniformidade das formas de acréscimo de gelo. Uma vez que a instabilidade de galope ocorre tipicamente sob condições de formação de gelo não uniformes, compreender como a assimetria da distribuição de gelo afeta a estabilidade aerodinâmica é essencial para uma avaliação de risco precisa.

Metodologia
Este estudo emprega uma abordagem de simulação numérica para investigar a estabilidade aerodinâmica de condutores sob variados graus de não uniformidade de gelo.

• Modelo Numérico: A pesquisa utiliza o modelo de turbulência SST k-ω, selecionado por sua capacidade de resolver com precisão tanto o campo de escoamento principal quanto a região próxima à parede, o que é crítico para simular os campos de esteira ao redor de condutores com gelo. As equções de continuidade e momento governantes, juntamente com as equações de transporte para energia cinética turbulenta ($k$) e taxa de dissipação específica ($\omega$), são resolvidas.
• Estratégia de Malha: Um método de malha sobreposta (overset mesh) é implementado para capturar eficientemente os parâmetros aerodinâmicos através de vários ângulos de ataque. O domínio é dividido em uma malha de fundo e uma malha frontal refinada (cobrindo o condutor e um raio de 5D), conectadas via fronteiras de interface.
• Parâmetros de Simulação: O acréscimo de gelo em forma de crescente é modelado como o objeto de pesquisa. As simulações cobrem ângulos de ataque do vento de 0° a 180° (explorando a simetria) com intervalos de 15°. O estudo varia os diâmetros dos condutores (20 mm e 30 mm), espessuras de gelo (30% e 60% do diâmetro) e ângulos de formação de gelo (90°, 120°, 150°, 180°).
• Critérios de Estabilidade: A estabilidade aerodinâmica é avaliada utilizando dois mecanismos estabelecidos:
  1. Mecanismo de Den Hartog: Avalia a estabilidade do galope vertical com base na condição $C_D + \frac{\partial C_L}{\partial \alpha} < 0$.
  2. Mecanismo de Nigol: Avalia a estabilidade do galope torsional com base na condição $\frac{\partial C_M}{\partial \alpha} < 0$.
• Coeficiente de Não Uniformidade: Um parâmetro específico, o coeficiente de não uniformidade de gelo ($a$), é definido como $a = (b/\gamma) \times 100\%$, onde $b$ é a razão entre a espessura do gelo e o diâmetro do condutor e $\gamma$ é o ângulo de formação de gelo. Este coeficiente quantifica o grau de assimetria da distribuição de gelo.
• Validação: O modelo de simulação é validado contra dados experimentais da Referência [17] (diâmetro do condutor 26,82 mm, espessura de gelo 6,7 mm, velocidade do vento 10 m/s). Os resultados da simulação para os coeficientes de arrasto, sustentação e momento mostram alta consistência com as tendências experimentais, confirmando a confiabilidade do modelo.

Principais Resultados
A análise numérica produz diversos achados específicos em relação à relação entre a não uniformidade do gelo e a estabilidade aerodinâmica:

• Coeficientes Aerodinâmicos: À medida que o ângulo de formação de gelo diminui (aumentando a não uniformidade), a faixa de variação do coeficiente de sustentação aumenta significamente. O coeficiente de arrasto geralmente aumenta com a espessura do gelo, enquanto o coeficiente torsional mostra um leve aumento na variação conforme os ângulos de formação de gelo diminuem e a espessura aumenta.
• Instabilidade de Den Hartog: O estudo encontra uma correlação direta entre o coeficiente de não uniformidade de gelo e a faixa de ângulos de ataque do vento suscetíveis ao galope de Den Hartog.
  • Para um condutor de 20 mm com espessura de gelo de 0,3D, o aumento do coeficiente de não uniformidade ampliou a faixa de ângulos de vento instáveis de 0° para 3°.
  • Para o mesmo condutor com espessura de 0,6D, a faixa ampliou de 1° para 6°.
  • Para um condutor de 30 mm, o efeito foi mais pronunciado: com 0,3D de espessura, a faixa expandiu de 4° para 19°; com 0,6D de espessura, expandiu de 5° para 21°.
  • Conclusão: Um coeficiente de não uniformidade mais alto amplia a faixa de ângulos de ataque do vento suscetíveis ao galope vertical, exacerbando a instabilidade aerodinâmica. Diâmetros de condutores maiores também se correlacionam com uma maior faixa de ângulos de galope de Den Hartog.
• Instabilidade de Nigol: Em contraste com o mecanismo de Den Hartog, a faixa de ângulos de ataque do vento suscetíveis ao galope de Nigol (torsional) (primariamente 30°–180°) não apresenta mudança óbvia com a variação dos coeficientes de não uniformidade de gelo. O estudo conclui que não há relação significativa entre o coeficiente de não uniformidade de gelo e a faixa de ângulo de galope de Nigol.

Significância e Alegações
O artigo afirma elucidar o impacto específico da não uniformidade da forma do gelo no galope do condutor, um fator previamente sub-pesquisado. Ao introduzir o coeficiente de não uniformidade de gelo, o estudo fornece um arcabouço quantitativo para analisar como a distribuição assimétrica de gelo altera a estabilidade aerodinâmica. A principal contribuição é a demonstração de que o aumento da não uniformidade expande significativamente a janela de instabilidade para o galope vertical (mecanismo de Den Hartog), mas tem impacto negligenciável na instabilidade torsional (mecanismo de Nigol). Esses achados oferecem uma base teórica para melhorar os sistemas de alerta precoce e as estratégias de mitigação para desastres induzidos por gelo em redes elétricas, particularmente para linhas que atravessam ambientes severos onde a formação de gelo não uniforme é prevalente.