0
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROJETO DE GRADUAÇÃO
ESTUDO E PROJETO DE REDE ELÉTRICA COMPACTA PROTEGIDA
ADELAYNE GRIPPA SEGATTO
VITÓRIA – ES Fevereiro/2008
1
ADELAYNE GRIPPA SEGATTO
ESTUDO E PROJETO DE REDE ELÉTRICA COMPACTA PROTEGIDA
Trabalh Tra lho o acadêmic ico o para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista, da aluna Ade dellayne Gririppa ppa Sega Segatto, tto, ap aprese resenta ntado do ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo. Santo.
VITÓRIA – ES Fevereiro/2008
1
ADELAYNE GRIPPA SEGATTO
ESTUDO E PROJETO DE REDE ELÉTRICA COMPACTA PROTEGIDA
Trabalh Tra lho o acadêmic ico o para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista, da aluna Ade dellayne Gririppa ppa Sega Segatto, tto, ap aprese resenta ntado do ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo. Santo.
VITÓRIA – ES Fevereiro/2008
2
ADELAYNE GRIPPA SEGATTO
ESTUDO E PROJETO DE REDE ELÉTRICA COMPACTA PROTEGIDA
COMISSÃO EXAMINADORA: _____________________ ________________________________ ______________ ___ Prof. Dr., Paulo José Mello Menegáz Orientador _____________________ ________________________________ ___________ Prof. Dr, Cícero Romao Cavati Examinador _____________________ ________________________________ ______________ ___ Eng., Cassiano Maroquio Tirelo Examinador
VITÓRIA – ES Fevereiro/2008
3
À Deus, à minha família pela força, a meu orientador Paulo Menegás pela paciência e a Cassiano pelo apoio e carinho.
4
LISTA DE FIGURAS
Figura1 - Cabo de força coberto......................................................................................... 14 Figura 2 - Conjunto principal: cabo mensageiro, espaçador e cabo de força ...................... 15 Figura 3 - Acessórios da Rede Compacta: (a) espaçador, (b) separador vertical ................ 15 Figura 4 - Aplicabilidade do separador vertical em situação de cruzamento da Rede Compacta .......................................................................................................... 15 Figura 5 - Isolador tipo bastão............................................................................................. 16 Figura 6 - Isolador tipo pino ................................................................................................ 16 Figura 7 - Anel de amarração .............................................................................................. 16 Figura 8 - Braço tipo "L" em condição de tangência .......................................................... 17 Figura 9 - Braço tipo "C"em condição de ângulo ................................................................ 17 Figura 10 - Resultado da análise de falhas antes e depois da substituição da Rede Convencional pela Rede CompactaProtegida.................................................. 20 Figura 11 - Poda drástica para evitar contato com a Rede Convencional ........................... 21 Figura 12 - Poda que comprometeu a estética da árvore devido à passagem da Rede Convencional .................................................................................................... 22 Figura 13 - Comparação da área de poda numa Rede Convencional com uma Rede Compacta .......................................................................................................... 22 Figura 14 - Foto de um "túnel de poda" reduzido devido à Rede Compacta ...................... 23 Figura 15 - Foto onde mostra a Rede Compacta convivendo harmoniosamente com a arborização ........................................................................................................ 23 Figura 16 - Foto de uma RedeConvencional emsituação de alto risco de falha................ 24 Figura 17 - Foto de um área congestionada com 5 circuitos alimentadores........................ 24 Figura 18 - Instalação da RedeAérea CompactaProtegida................................................ 25 Figura 19 - Detalhe do espaçador comtrilhamento elétrico................................................ 28 Figura 20 - Locais comas principais ocorrências de trilhamento elétrico (a) lado voltado para maior incidência de vento, (b) lado voltado para menor incidência de vento ................................................................................................................. 29 Figura 21 - Influência das nervuras de um isolador na distribuição do campo elétrico ...... 31 Figura 22 - Foto do cabo da Rede Compacta com trilhamento elétrico na região em contato como espaçador ............................................................................................... 32 Figura 23 - Foto do espaçador com trilhamento elétrico numa região que permite acúmulo de poluentes ...................................................................................................... 32
5
Figura 24 - Detalhe do laço de amarração com trilhamento no local de contato com o cabo coberto .............................................................................................................. 32 Figura 25 - Espaçador provido de alças incorporadas ao corpo do espaçador.................... 33 Figura 26 - Representação das reações químicas de degradação de polímeros (a) formação dos radicais livres, (b) reação do radical livre com O2, (c) formação do hidroperóxido (d) decomposição do hidroperóxido ......................................... 38 Figura 27 - Vista da seção transversal de cabo coberto com material de bloqueio............. 39 Figura 28 - Vista geral daLinha CompactaProtegida de 69 kV ......................................... 43 Figura 29 - Principais componentes da Linha Compacta Protegidade 69 kV .................... 44 Figura 30 - Camadas do cabo condutor coberto para 69 kV ............................................... 44 Figura 31 - Cotas do espaçador para Linha Compacta de69 kV ........................................ 45 Figura 32 - Cabo mensageiro de Alumoweld® ................................................................... 46 Figura 33 - Braço tipo "L" para uma Linha Compacta de 69 kV ........................................ 47 Figura 34 – Mapa do local (a rede aser substituída está marcadaemverde) onde será realizado o projeto de recondutoramento da Rede Convencional para Rede Protegida ........................................................................................................... 51 Figura 35 - Foto de uma das ruas do projeto de recondutoramento de Rede Convencional para Rede Protegida.......................................................................................... 52 Figura 36 - Foto de uma das ruas que será realizado o projeto de recondutoramento, onde mostra uma árvore podada inadequadamente, comprometendo a estética da mesma ............................................................................................................... 53 Figura 37 - Foto de um flying tap da rede a ser recondutorada. Observa-se uma área de alto risco de desligamento devido à vegetação densa .............................................. 53 Figura 38 - Croqui do local do projeto onde mostra a localização das chaves, transformadores, banco de capacitores e as estruturas da Rede Convencional existentes .......................................................................................................... 54 Figura 39 - Bloco a ser recondutorado, com todas posteações e equipamentos existentes representados .................................................................................................... 56 Figura 40 - Estruturas a desinstalar na Rede Convencional e a instalar na Rede Compacta Protegida ........................................................................................................... 58 Figura 41 - Cabos a instalar no recondutoramento para a Rede Compacta Protegida ........ 61 Figura 42 - RedeProtegida de 11,4 kV e RededeBaixa Tensão........................................ 63 Figura 43 - Esforços dos cabos daBT e MT; e resultante no poste P3............................... 63 Figura 44 - Foto do ponto deentregano poste P23............................................................. 67
6
Figura 45 - Queda de tensão empercentual nos pontos com carga..................................... 68
7
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Causa e número de falhas antes e depois da substituição da Rede Convencional pela Rede Compacta Protegida ......................................................................... 19 Tabela 2 - Análise comparativa dos custos da Rede Convencional e da Rede Compacta.. 25 Tabela 3 – Carga de ruptura, ampacidade, resistência elétrica CC dos cabos cobertos de 69 kV ..................................................................................................................... 45 Tabela 4 - Características do espaçador de 69 kV ............................................................... 46 Tabela 5 - Custo do investimento inicial da Linha Convencional x Linha Compacta, para a tensão de 69 kV ................................................................................................ 49 Tabela 6 - Custo operacional da Linha Convencional x Linha Compacta, para a tensão de 69 kV ................................................................................................................ 49 Tabela 7 - Custo de Energia não distribuída da Linha Convencional x Linha Compacta Protegida, para a tensão de 69 kV .................................................................... 49 Tabela 8 - Análise econômica da Linha Convencional de 69 kV x Linha Compacta Protegida de 69 kV ........................................................................................... 50 Tabela 9 - Critério de projeto para estruturas...................................................................... 57 Tabela 10 - Detalhe das estruturas a serem instaladas (Rede Compacta) e desinstaladas (Rede Nua) em cada poste do bloco ................................................................. 59 Tabela 11 - Total de estruturas a instalar (Rede Nua) e a desinstalar (Rede Compacta) .... 59 Tabela 12 - Detalhe dos cabos a serem instalados (Rede Compacta) e desinstaladas (Rede Nua) em todos os vãos...................................................................................... 60 Tabela 13 - Total de cabos nus a desinstalar (Rede Nua) e cobertos a instalar (Rede Compacta) ......................................................................................................... 62 Tabela 14 - Total de cabos mensageiros a instalar (Rede Compacta) ................................. 62 Tabela 15 - Esforços resultantes em cada poste do bloco ................................................... 64 Tabela 16 - Esforços causados por cada tipo de cabo do Circuito Primários e Secundário 65 Tabela 17 - Demanda máxima de carga.............................................................................. 66 Tabela 18 - Percentual de queda de tensão para cabos protegidos numa Rede de 11,4 kV 69 Tabela 19 - Comprimento do cabo entre pontos do circuito ............................................... 69 Tabela 20 - Queda de tensão e corrente no cabo protegido................................................. 70 Tabela 21 - Capacidade de condução de corrente do cabo protegido ................................. 71
8
SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................... 4 LISTA DE TABELAS....................................................................................................... 7 SUMÁRIO ......................................................................................................................... 8 RESUMO ......................................................................................................................... 10 1
INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 11
1.1Desenvolvimento ......................................................................................................... 12 1.1.1 História da eletricidade no Brasil .................................................................. 12 1.1.2 História da Rede Aérea Compacta................................................................. 13 2 DESCRIÇÃO GERAL DA REDE ....................................................................... 14 2.1Vantagens .................................................................................................................... 17 2.1.1 Confiabilidade do fornecimento de energia elétrica...................................... 18 2.1.2 Meio ambiente ............................................................................................... 20 2.1.3 Faixa de servidão ........................................................................................... 24 2.1.4 Instalação ....................................................................................................... 25 2.1.5 Custo.............................................................................................................. 25 2.2Desvantagens............................................................................................................... 26 2.2.1 Multi-estressamento....................................................................................... 26 2.2.2 Trilhamento elétrico e erosão ........................................................................ 28 2.2.3 Características dos cabos e acessórios ........................................................... 30 3 CARACTERÍSTICA DOS MATERIAIS POLIMÉRICOS EMPREGADOS NA REDE COMPACTA PROTEGIDA ....................................................................... 33 3.1Polímero ...................................................................................................................... 33 3.2Propriedadedos polímeros usados na redeelétrica..................................................... 34 3.3Polímeros empregados em materiais elétricos............................................................. 36 3.3.1 Propriedades dos polímeros........................................................................... 37 3.3.2 Características dos cabos e materiais usados na rede compacta .................... 38 4 ANÁLISE ECONÔMICA..................................................................................... 39 4.1Método para cálculo da análise econômica ................................................................. 40 4.1.1 Investimento inicial ....................................................................................... 40 4.1.2 FVPL ............................................................................................................. 41 4.1.3 Custo operacional .......................................................................................... 41 4.1.4 Energia não distribuída.................................................................................. 42
9
5
APLICAÇÕES EM ALTA TENSÃO .................................................................. 43
5.1Linha Compacta Protegida de 69 kV ........................................................................... 43 5.1.1 Descrição do sistema..................................................................................... 43 5.1.2 Especificações básicas dos componentes ...................................................... 44 5.2Vantagens .................................................................................................................... 47 5.3Análise de custos ......................................................................................................... 48 5.4Análise final do estudo da Rede Compacta Protegida de 69 kV ................................. 50 6 ESTUDO DE CASO DE UM PROJETO BÁSICO DE RECONDUTORAMENTO DE UMA REDE CONVENCIONAL PARA UMA REDE COMPACTA PROTEGIDA DE 11,4 KV. ....................................................... 50 6.1Objetivo....................................................................................................................... 50 6.2 Justificativa.................................................................................................................. 51 6.3Condições gerais.......................................................................................................... 54 6.4Padrões utilizados ........................................................................................................ 55 6.5Levantamento de dados ............................................................................................... 55 6.6Descrição do projeto .................................................................................................... 55 6.6.1 Estruturas ....................................................................................................... 57 6.6.2 Cabos............................................................................................................. 60 6.6.3 Poste .............................................................................................................. 62 6.6.4 Espaçadores ................................................................................................... 65 6.6.5 Demanda máxima.......................................................................................... 65 6.6.6 Queda de tensão............................................................................................. 67 6.6.7 Remanejamento decarga............................................................................... 71 6.6.8 Notas gerais ................................................................................................... 71 7 CONCLUSÃO........................................................................................................ 72 ANEXO A ........................................................................................................................ 74 ANEXO B......................................................................................................................... 76 ANEXO C ........................................................................................................................ 79 ANEXO D ........................................................................................................................ 87 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS .......................................................................... 88
10
RESUMO
Este trabalho consiste num estudo da Rede Aérea Compacta Protegida, baseado em vários outros estudos já realizados e de um levantamento de dados na concessionária de energia do estado do Espírito Santo, Escelsa. O trabalho contempla ainda, um projeto básico dessa rede. É mostrado neste estudo que a utilização da Rede Aérea Compacta Protegida traz uma redução no número de falhas elétricas devido à redução de contatos acidentais na rede, ocorrendo normalmente em ambientes arborizados, com estreita faixa de servidão e em regiões com alta ocorrência de objetos na mesma. Porém, quando a Rede Compacta se encontra sob solicitações de multi-estressamento, verifica-se que o estado de degradação da rede torna-se acelerado, isso devido ao formato de seus acessórios e os distintos materiais poliméricos presentes nela. Foi observado que, apesar do investimento inicial da Rede Compacta ser maior do que o da Rede Convencional, quando se trata de uma análise de custo em longo prazo, a Rede Compacta apresenta custos inferiores. O projeto básico realizado ao final deste trabalho foi o de substituição da Rede Convencional para a Rede Aérea Compacta de 11,4 kV, localizada no Bairro Mata da Praia, município de Vitória, ES, com aproximadamente 1 km de rede.
11
1
INTRODUÇÃO
O modelo de Rede Aérea Convencional de distribuição primária de energia elétrica está exposto a todas as influências do meio (tempestade, raio, ventania, acumulo de poeira, excesso de umidade, depósito de salitre em ambiente litorâneo, arborização, etc.) e por esse motivo apresenta elevada taxa de falhas. Segundo dados da ABRADEE 1, 90% em média das causas de interrupções nas redes primárias, são ocorrências nas Redes Aéreas Convencionais de distribuição. Essa elevada taxa de falhas apresenta-se cada vez mais incompatível com as necessidades que o uso da eletricidade vai impondo à vida moderna já que a energia elétrica é um importante elemento no processo de modernização das sociedades, onde esta impulsiona a industrialização, altera a estrutura urbana e reflete na própria cultura; e é por isso que cada vez mais a qualidade e confiabilidade do fornecimento de energia prestado pelas concessionárias estão sendo monitoradas pela ANEEL e cobrada através de indicadores de qualidade uma melhora contínua. Alémdas altas taxas de falhas, a Rede Convencional temum elevado custo de manutenção preventiva e corretiva devido à constante interferência com a arborização, pois exige uma ampla faixa de servidão. Assim, para uma melhoria da qualidade e confiabilidade do fornecimento de energia, minimização dos impactos ambientais e redução dos custos operacionais; soluções de redes de distribuição mais modernas estão sendo estudadas e implantadas. Neste trabalho será apresentada uma destas soluções, a RedeAérea Compacta Protegida. A Rede Aérea Compacta Protegida, conhecida também como Rede Spacer Cable, foi desenvolvida pela empresa Hendrix W&C. Basicamente essa rede é composta por três condutores cobertos, mas não isolados, apoiados em espaçadores ou em separadores, sustentados por um cabo mensageiro de aço e seus acessórios. O design de seus acessórios e sua configuração proporciona inúmeros benefícios, mas também proporciona uma degradação acelerada da rede quando implantada em ambientes agressivos.
1
ABRADEE (Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica) é uma sociedade civil de direito privado, sem fins lucrativos [1].
12
1.1 DESENVOLVIMENTO 1.1.1 História da eletricidade no Brasil
A história da eletricidade no país é semelhante à história da eletricidade de outros países atrasados economicamente. Os países sem estrutura e cultura de pesquisa importavam modelos prontos. Desde 1879, quando houve a primeira demonstração pública da lâmpada elétrica de Thomas Edison no Brasil, ficou claro que aquele era o começo de uma grande dependência de importação de tecnologia. Conforme apresentado em [2], na década de 1900 o Grupo Ligth, do Canadá, mas com tecnologia americana, iniciou a produção de energia elétrica em larga escala no Brasil. Em 1928 a empresa americana Amforp adquiriu o controle de dezenas de concessionárias no país. Com a concentração de várias concessionárias em um grupo com tecnologia americana acarretou na imposição dos padrões tecnológicos das multinacionais. Em 1939 foi criado pelo presidente Getúlio Vargas o Conselho Nacional de Águas e Energia – CNAE com o objetivo de sanear os problemas de suprimento, regulamentação e tarifa referentes ao setor de energia elétrica do país. Em 1956 foi criada para administrar o programa energético do estado do Espírito Santo, a Escelsa, empresa posteriormente federalizada [2]. Em 1961 durante a presidência de Jânio Quadros foi criada a Eletrobrás, constituída para coordenar o setor de energia elétrica brasileiro. Na década de 70, foi firmado o acordo para a construção da usina de Itaipu e neste mesmo período, ocorreram à criação do Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL para desenvolver tecnologia em equipamentos e em sistemas elétricos. Na década de 90 inicia-se uma nova época para o setor elétrico brasileiro com a política de privatização das concessionárias e para isso é constituído um novo órgão regulador do setor de energia elétrica sob a denominação de Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL. Durante o período dos anos 50 até os anos 90, quando predominou o modelo de empresas estatais, percebeu-se um isolamento tecnológico, após a década de 90, onde as concessionárias privatizadas passaram a ser reguladas por uma agência nacional, tornou-se
13
um ambiente propício à revisão dos conceitos relacionados aos padrões técnicos de energia elétrica no Brasil. 1.1.2 História da Rede Aérea Compacta
O Brasil, em função da influência dos fabricantes de equipamentos e demais aspectos relacionados a custos, adotou a Rede Convencional como padrão de distribuição aérea na classe de 15 kV (tensão entre fases) feita através de cabos de alumínio nus sustentados por isoladores em cruzetas de madeira. Mas, devido essa rede ter elevada taxa de falha no fornecimento de energia, elevado impacto ambiental e alto custo operacional, fez-se necessárias soluções de redes de distribuição com tecnologias mais modernas. A Rede Aérea Compacta Protegida veio como solução. A Rede Compacta Protegida foi desenvolvida pela empresa Hendrix W&C, em 1951, nos Estados Unidos, quando Bill Hendrix desenvolveu um sistema que utilizava cabos cobertos e espaçadores. Quando criada, teve como objetivo desenvolver uma rede aérea com compactação próxima à encontrada nas redes subterrâneas, possibilitando a utilização de até quatro circuitos na mesma posteação e aumentando a confiabilidade e segurança do sistema de distribuição aéreo [3]. As Redes Compactas Protegidas desenvolvidas na década de 50 a partir de uma primeira aplicação em 5 kV, já são hoje comuns em15 kV, 25 kV, 35 kV e 46 kV [4]; e ainda em linhas de 69 kV, mas com pouca aplicação [3]. No Brasil as primeiras experiências com cabos cobertos em redes aéreas foram com a concessionária COPEL 2 com a rede de 13,8 kV em 1989 [5]. Nessa ocasião foram apenas substituídos os cabos de alumínio nus por cabos de alumínio cobertos com polietileno 3 mantendo-se a topologia convencional de cruzetas e isoladores de porcelana tipo pino. O objetivo era testar em campo a eficiência do cabo coberto frente a contatos ocasionais de galhos de árvores durante chuva e vento. Ao longo da década de 90 cresceram as pressões municipais contra a poda inadequada de árvores, obrigando as concessionárias de energia elétrica a adotar um padrão construtivo de
2 COPEL 3
- Companhia Paranaense de Energia. O polietileno é um polímero (uma macromolécula natural ou sintética) formado através de uma reação por adição com o etileno [6].
14
rede elétrica que permitisse convivência mais harmoniosa com a arborização urbana, com isso, maiores investimentos de Rede Aérea Compacta Protegida foram feitos. Porém, a experiência que se tinha sobre o desempenho dos acessórios da Rede Compacta de classe de 15 kV era em países de clima frio e seco. Portanto, seria necessário acompanhar o desempenho dos mesmos num clima como o do Brasil: quente, úmido e com alta incidência de radiação solar. Diversos estudos e testes foram iniciados nessa área e perceberam que a Rede Aérea Compacta Protegida tinha limitações e critérios de utilização, como será apresentado mais adiante neste trabalho. 2
DESCRIÇÃO GERAL DA REDE
A Rede de Distribuição Aérea Protegida Compacta é um conjunto formado basicamente por: Cabo de Força Coberto (Figura 1): Cabo dotado de cobertura protetora de material
polimérico, utilizada para eliminação da corrente de fuga em caso de contato acidental do condutor com objetos aterrados, e diminuição do espaçamento entre condutores. É importante enfatizar que, apesar de possuir cobertura, os cabos protegidos não são isolados, pois não possuem blindagem metálica e apresentam campo elétrico não-nulo em sua superfície.
Figura 1 - Cabo de força coberto
Cabo Mensageiro (Figura 2): Cabo de aço zincado é utilizado para sustentação dos
espaçadores e separadores, para proteção elétrica (surtos atmosféricos) e mecânica; e podendo também ser utilizados como neutro da Rede Compacta. O cabo mensageiro pode ter em seu interior fibras óticas.
15
Figura 2 - Conjunto principal: cabo mensageiro, espaçador e cabo de força
Espaçador (Figura 3 - a): Acessório de material polimérico de formato losangular cuja
função é a de sustentação dos cabos cobertos ao longo do vão, diminuindo a possibilidade de um condutor rompido atingir o solo.
Figura 3 - Acessórios da Rede Compacta: (a) espaçador, (b) separador vertical
Separador Vertical (Figura 3 – b): Acessório de material polimérico e formato retilíneo,
cuja função é de sustentação e separação dos cabos cobertos na Rede Compacta em situações de cruzamento da rede, como mostrado na Figura 4. Separador
Figura 4 - Aplicabilidade do separador vertical emsituação decruzamento da Rede Compacta
16
Isolador Tipo Bastão (Figura 5): Isolador constituído de pelo menos dois materiais
isolantes, equipado com engates metálicos para sustentação e fixação dos cabos em estruturas de fim de linha, encabeçamento da rede, derivação e/ou ângulos [7]. 15 kV
25 kV
35 kV
Figura 5 - Isolador tipo bastão
Isolador Tipo Pino (Figura 6): Isolador dotado de orifício roscado ou provido de pino,
constituído por um único corpo isolante polimérico [7], para sustentação dos cabos de força.
Figura 6 - Isolador tipo pino
Anel de Amarração (Figura 7): Acessório de material polimérico utilizado para a fixação
do condutor da fase no isolador tipo pino, espaçador losangular e separador de fase [7].
Anel de Amarração
Figura 7 - Anel de amarração
17
Braço Tipo L (Figura 8): Ferragem, em formato “L”, fixada ao poste, com a função de
sustentação do cabo mensageiro da Rede Compacta, em condição de tangência ou com ângulos de deflexão de até 6º [7].
Figura 8 - Braço tipo "L" em condição de tangência
Braço Tipo C (Figura 9): Ferragem, em formato “C”, fixada ao poste, com a finalidade de
sustentação das fases em condições de ângulo e de fim de linha, derivações e conexão de equipamentos à Rede Compacta [7].
Figura 9 - Braço tipo "C"em condição de ângulo
2.1 VANTAGENS As empresas distribuidoras de energia elétrica vêm empregando com sucesso e em grande escala a Rede AéreaCompacta em diversas regiões do Brasil. Entre as vantagens alcançadas com a utilização desta rede, podem-se citar: •
Melhoria da confiabilidade do fornecimento de energia;
•
Redução de impacto no meio ambiente;
•
Redução da faixa de servidão;
18
•
Rede compacta proporcionando mais estética;
•
Redução na queda de tensão;
•
Melhor regulação de tensão;
•
Maior facilidade na instalação;
•
Redução de custo de operação e manutenção;
•
Redução das reclamações dos clientes;
•
Melhor relacionamento com entidades de controle, defesa e órgãos governamentais;
•
Proporciona melhor imagem da concessionária, com reflexos em suas ações negociadas em bolsas de valores.
A seguir, estarão sendo apresentadas algumas dessas vantagens. 2.1.1 Confiabilidade do fornecimento de energia elétrica
Os contatos acidentais com condutores nus das Redes Convencionais provocam curtocircuitos e acarretam o desligamento da rede pelo sistema de proteção. Elevadas taxas de falhas são causadas pelos desligamentos a partir do contato temporário com a arborização, principalmente em tempestades e ventos fortes. As concessionárias monitoram essas falhas, onde estas são obrigadas pela ANEEL a cumprirem os índices estabelecidos de falhas através dos indicadores DEC, FEC, DIC, FIC e DMIC4; e obterem melhores resultados de qualidade e confiabilidade do fornecimento de energia elétrica. Com o desing compacto e os condutores cobertos de material polimérico, a utilização da Rede Aérea Compacta Protegida vem alcançando bons resultados na diminuição no número de falhas por curto-circuitos. Para demonstrar tal redução, foi feito neste trabalho, um levantamento na concessionária Escelsa5, analisando o número de falhas, antes e depois da substituição de uma Rede Convencional pela Rede Compacta Protegida.
4
A resolução da ANEEL, 024 de 27 de janeiro de 2000 [8], estabelece as definições de DEC, FEC, DIC, FIC e DMIC. Uma parte da resolução está transcrita no ANEXO A. 5 Escelsa (Espírito Santo Centrais Elétricas S.A.) é a concessionária de energia elétrica do estado do Espírito Santo, pertencente ao Grupo Energias do Brasil.
19
O bloco analisado para esse estudo foi o do alimentador CIT15 (cidade de Cachoeiro de Itapemirim), especificamente a montante do bloco 6511 (depois da chave 6511 - sentido fonte carga). A substituição da Rede Convencional pela Rede Compacta nesse bloco foi devida o número de falhas por curto-circuitos que eram causadas por pipa na rede. A Tabela 1 mostra as causas e o número de falhas antes e depois do recondutoramento da rede estudada. Tabela 1 - Causa e número de falhas antes e depois da substituição da Rede Convencional pela Rede Compacta Protegida Rede Convencional Causa
2001 2002 2003 Total
Pipa Deterioração deMaterial Falha Humana Objeto na Rede Árvore CausaIgnorada Abalroamento Temporal Animal
7 2 2 1 1 1
TOTAL
14
8
4 1 1 14
19
Rede Protegida Média Média 2005 2006 Total anual anual
11,33 0,67 0,67 0,33 0,33 2,33 0,67 1,67 0,33
2 1
2 1 4 1
34 2 2 1 1 7 2 5 1
27
55
18,33
5
2
1
2 3
2 2 0 0 0 0 0 4 0
1 1 0 0 0 0 0 2 0
8
4
Redução de ocorrências 91,2% -50,0%
100,0% 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% -20,0%
100,0% 78,2%
Fonte: Concessionária Escelsa - Energias do Brasil, 2006.
A análise do número de ocorrências e a causa de cada falha foram feitas levando em consideração as ocorrências acidentais nos anos antes da obra 2001, 2002 e 2003 (período com a Rede Convencional) e nos anos 2005 e 2006 (período com a Rede Compacta). O ano de 2004 foi excluído da análise, pois foi neste período que ocorreu a obra de recondutoramento da rede (substituição da Rede Convencional por Compacta). A redução observada no número de ocorrências depois da substituição da rede do bloco em estudo deve-se às diversas características da Rede Compacta Protegida. Devido à Rede Compacta possuir os condutores cobertos de material polimérico, praticamente não permite a corrente de fuga em caso de contato acidental dos condutores com objetos aterrados (árvores). Toda parte não coberta por material polimérico da Rede Compacta como emendas, derivações de cabos, buchas dos equipamentos, etc., é acrescido uma cobertura protetora de material polimérico (com exceção das chaves faca e/ou fusíveis e estribos), visando,
20
desta forma, evitar desligamentos acidentais, devido contato com objetos estranhos na rede (pipas, galhos, etc.) ou animais (pássaros, pequenos macacos), que possam provocar desligamentos indesejáveis. Alémdisso, outros fatores como a presença de espaçadores e separadores permitemaplicar trações baixas nos cabos fase, reduzindo o risco de ruptura destes devido ao impacto de objetos na rede. O fato de haver um cabo mensageiro de aço zincado, que sustenta os espaçadores com os cabos fase, ajuda na proteção mecânica da rede caso ocorra a queda acidental de algum objeto pesado sobre a mesma; minimizando o risco de ruptura dos cabos. Na Figura 10 observa-se claramente que com a configuração da Rede Compacta o número de falhas é bastante reduzido, melhorando em muito a confiabilidade do sistema.
Figura 10 - Resultado da análise de falhas antes e depois da substituição da Rede Convencional pela Rede Compacta Protegida
2.1.2 Meio ambiente
A disputa por espaço entre as árvores nas calçadas e as redes elétricas é, sem dúvida, um dos principais problemas existentes nos grandes centros urbanos. 2.1.2.1Poda e poluição visual Os galhos das árvores que estão comprometendo o fornecimento devido à proximidade com os cabos nus das Redes Convencionais são podados, pois, caso haja o contato desses galhos com os condutores nus da rede, podem provocar curto-circuitos e impor o desligamento da rede pelo sistema de proteção. Na Figura 11 tem-se uma imagem clara do impacto que a ampla área de poda, para uma Rede Convencional, causa na arborização. Na passagem transversal por cada árvore a Rede
21
Convencional destrói um grande número de galhos, quando não compromete toda a árvore – a norma NBR 54346 prevê um afastamento de 1 metro a partir da rede. Isso sem considerar que essa interferência será permanente enquanto existir a rede no local. Porém, não se pode afirmar que a poda soluciona o problema da convivência entre árvore e fiação elétrica, visto que, a maioria das árvores, uma vez podadas, começa a brotar em direção aos condutores elétricos e precisa de novas manutenções em curto espaço de tempo [10]. Além disso, as podas periódicas para evitar o contato das árvores com a Rede Convencional, quando conduzidas de forma inadequada, provocam mutilações, podendo comprometer a sanidade, o vigor e a estética das árvores [11]. A sociedade, porém não mais admite esse tipo de poda predatória que realmente chega a desfigurar as árvores (Figuras 11 e 12), a ponto de prejudicar sua finalidade de sombreamento e estética natural, ainda mais quando a iniciativa parte de uma concessionária de serviços públicos. Nas cidades de clima mais quente, as populações fazem oposição ferrenha a qualquer poda drástica de árvores, consideradas um verdadeiro patrimônio público, o que leva a um grande desgaste da imagem da concessionária.
Figura 11 - Poda drástica para evitar contato com a Rede Convencional
6
NBR 5434 – Norma de Redes de Distribuição Aérea Urbana de Energia Elétrica [9].
22
Figura 12 - Poda que comprometeu a estética da árvore devido à passagem da Rede Convencional
Com a utilização da Rede Compacta exige um “túnel de poda” bem menor que a Rede Nua, como mostrada na Figura 13. Esse espaço reduzido não agride a árvore a ponto de comprometer sua existência, ao contrário a convivência é pacífica mesmo quando folhas e galhos começam a encostar-se nos condutores. A rigidez dielétrica do ar permite que em 13.8 kV os condutores estejam afastados em apenas 1 cm, porém não é viável esse tipo de construção, pois a qualquer movimento do conjunto de cabos haveria interrupção da rede. Com os espaçadores é possível operar a rede com distâncias entre as fases em torno de 15 cm. Esse sem dúvida é um espaço bem mais compacto que os exigidos pelas cruzetas de madeira que estão em torno de 2 metros de ponta a ponta. Rede Convencional
Rede Compacta
Figura 13 - Comparação da área de poda numa Rede Convencional com uma Rede Compacta
23
A presença da cobertura nos condutores, que permite contato eventual de árvores (Figura 14), e o espaçamento reduzido entre os condutores da rede permitem que se faça apenas uma poda leve nas árvores, o suficiente para que os galhos não fiquem em contato permanente com os cabos. Esse pequeno “túnel de poda” permite não só evitar a prática de podas drásticas como também recuperar grande parte da folhagem das copas das árvores já podadas.
Figura 14 - Foto de um "túnel de poda" reduzido devido à Rede Compacta
As Redes Compactas com cabos protegidos constituem uma solução tecnológica que permite uma convivência harmônica com a arborização, pois admitem toques eventuais de galhos de árvores sem provocar o desligamento da rede elétrica (Figura 15), resultando em uma redução do nível das podas. Além disso, proporciona uma boa imagem da concessionária, melhorando o relacionamento com entidades de controle, defesa, órgãos governamentais e clientes.
Rede Compacta
Figura 15 - Foto onde mostra a Rede Compacta convivendo harmoniosamente com a arborização
24
2.1.2.2Animais A Rede Compacta Protegida devido possuir cobertura protetora ao longo de toda sua extensão, evita desligamento por contatos acidentais de animais (pássaros e pequenos macacos), contribuindo para reduzir os desligamentos indesejáveis da rede e a morte desses animais. Na Figura 16 temos uma foto onde mostra uma situação de alto risco de acidente, podendo causar falhas e a morte de pássaros.
Figura 16 - Foto de uma Rede Convencional em situação de alto risco de falha
2.1.3 Faixa de servidão
A configuração losangular da Rede Protegida, torna-a compacta, soluciona os problemas de instalação da mesma em áreas muito congestionadas, como: ruas estreitas, áreas arborizadas, áreas muito próximas a edificações e estruturas; e áreas com muitos circuitos alimentadores. A Figura 17 mostra uma áreacongestionada, com 5 circuitos alimentadores.
Figura 17 - Foto de um área congestionada com 5 circuitos alimentadores
25
2.1.4 Instalação
A instalação da Rede Aérea Compacta é mais simples e rápida do que da Rede Convencional. As razões incluem menos poda inicial da arborização para instalação e facilidade em puxar três condutores em uma só vez, como mostrado na Figura 18 [12]. Além disso, a instalação da Rede Compacta em substituição à Rede Nua se torna de custo muito atrativo, porque permite essencialmente utilizar a mesma posteação através de técnicas de construção similares às utilizadas nas Redes Convencionais.
Figura 18 - Instalação da Rede Aérea Compacta Protegida
2.1.5 Custo
A Rede Compacta tem um custo inicial de instalação maior do que o da Rede Convencional, porém em muitas situações, a primeira apresenta uma melhor relação custobenefício ao longo do tempo do que a segunda devido ao seu desempenho e qualidade. Na análise econômica dessa rede algumas considerações devem ser feitas. A comparação econômica da alternativa da Rede Convencional e da Rede Compacta deverá contemplar o custo total do empreendimento e não somente o valor inicial investido, já que em redes de distribuição, o custo da operação é na maioria das vezes maior que o investimento. Um estudo apresentado em [10] verificou tal fato. Analisando na Tabela 2 os custos das redes primárias desse estudo com os valores corrigidos, observa-se que o valor de implantação da Rede Compacta Protegida é maior que o da Rede Convencional, porém o custo de manutenção preventiva, corretiva e poda daquela rede é muito menor do que esta. Tabela 2 - Análise comparativa dos custos da Rede Convencional eda Rede Compacta
26
Custo de Implantação7 (R$/Km)
Custo da Manutenção Preventiva8 (R$/Km*ano)
Com Arborização
Sem Arborização
Custo da Manutenção Corretiva9 (R$/Km*ano)
Custo de Poda Anual10 R$/ano
Rede Convencional
20.028,83
131,20
62,48
18,72
68,82
Rede Compacta Protegida
50.519,61
20,75
6,69
3,88
14,12
Comparativo entre Rede Nua e Compacta
-152,23%
84,18%
89,29%
79,27%
79,48%
Fonte: Referência [10].
Além disso, é de se esperar uma redução de custo devido ao número de interrupções de fornecimento (energia não distribuída que poderia estar sendo consumida), perdas de faturamento e reclamações dos clientes (podendo causar sanções para a concessionária pelo órgão regulador). 2.2 DESVANTAGENS Apesar dos vários benefícios da Rede Aérea Compacta, como mostrado anteriormente, esta, sob condições de multi-estressamento, apresenta alguns problemas característicos que podem comprometer seu desempenho, causando no sistema de proteção a perda dos requisitos mínimos de suportabilidade para continuidade de operação. 2.2.1 Multi-estressamento
O sistema aéreo de distribuição esta sujeito a solicitações múltiplas como variações de temperatura, variações do campo elétrico, solicitações mecânicas e influência do meio podendo, portanto apresentar diferentes comportamentos frente às diversas solicitações. Os componentes (cabos e acessórios) empregados na Rede Protegida, sob as condições normais de operação, estão sujeitos a múltiplos estresses.
7
Custo médio e corrigido de 1999 para 2001 deuma rede primária combitola 170,5 mm² XLPE Concessionária COPEL/PR. 8 Custo corrigido de 1998 para 2001 - Concessionária CEMIG. 9 Custo corrigido de 1998 para 2001 - Concessionária CEMIG. 10 Custo corrigido de 1998 para 2001 - Concessionária CEMIG.
27
•
Estresse Mecânico
Têm-se como estresses mecânicos a vibração, a tração e a torção dos cabos da rede. •
Estresse Elétrico
Os principais estresses elétricos são a concentração do campo elétrico em alguns pontos da rede. •
Estresse Térmico
Os estresses térmicos estão relacionados com o gradiente de temperatura e a temperatura de operação da rede. •
Estresse Ambiental
São fatores relacionados ao clima local de cada região, tais como: intensidade de radiação ultravioleta e umidade; e fatores relacionados ao meio ambiente onde está localizada a Rede Compacta Protegida, como: contaminação superficial, poluentes industriais, salinidade e outros depósitos. Os depósitos que mais influenciam a suportabilidade dos espaçadores, isoladores e cabos são materiais solúveis que formam eletrólitos na presença de umidade, tais como: sais originados do mar, ácidos de indústrias petroquímicas ou outros geradores destes poluentes. Existem alguns poluentes, que mesmo sem umidade, são condutivos como: o carbono, alguns óxidos metálicos e metais na forma de poeira ou pó (minério de ferro). Esses estresses, agindo de forma independente (estresse simples) e/ou sinérgica (estresse combinado), são responsáveis pelo envelhecimento e degradação do sistema isolante, o qual é constituído por materiais poliméricos. O envelhecimento e a conseqüente degradação podem levar à perda dos requisitos mecânicos e elétricos mínimos para continuidade de operação do sistema. A perda dos requisitos mecânicos apresenta-se como: quebras, fraturas, redução de elasticidade, etc., da cobertura de cabos e seus acessórios. Do ponto de vista elétrico, tais falhas são visualizadas principalmente pelos efeitos de trilhamento elétrico (citado mais adiante) que produzem a carbonização ou erosão do material polimérico, ou ainda, o que é mais grave, pela perfuração da cobertura dos cabos fase.
28
2.2.2 Trilhamento elétrico e erosão
O trilhamento elétrico (tracking) é um fenômeno de envelhecimento superficial do dielétrico que produz trilhas elétricas como resultado da ação de descargas elétricas próximas ou na superfície do material polimérico [3]. Na Figura 19 pode ser observado o trilhamento sobre o cabo na extremidade da amarração e região de acúmulo de contaminantes.
Figura 19 - Detalhe do espaçador com trilhamento elétrico
O alto valor de resistividade superficial dos polímeros empregados nas Redes Compactas limita a circulação de correntes superficiais chegando apenas a dezenas de microampéres. Entretanto, devido às condições de multi-estressamento pode ocorrer a redução da resistência superficial. Com isso, o campo elétrico torna-se não homogêneo, e assim a corrente superficial aumenta, carbonizando o material e iniciando a formação de trilhas elétricas. Além disso, com a carbonização, aumenta-se a não-homogeneidade do potencial superficial e conseqüentemente a aceleração do fenômeno de trilhamento elétrico. Quando o trilhamento elétrico ocorre sobre uma área limitada do polímero, pode suceder a erosão, que é a perda localizada e gradual de massa do material de proteção. O trilhamento e a erosão ocorrem principalmente nos pontos de concentração de campo elétrico ou drenagem de correntes, por exemplo, apoio dos cabos fase nos isoladores ou espaçadores, apoio dos espaçadores no cabo mensageiro aterrado, partes metálicas em contato com a cobertura de cabo fase. O trabalho apresentado em [13], obteve, após uma avaliação microscópica da superfície de espaçadores instalados em uma rede piloto localizada próxima da arrebentação em um balneário e sujeita às condições de demanda de energia da região, o mapeamento dos principais pontos de trilhamento elétrico desses espaçadores. A marcação em vermelho na Figura 20 representa esses pontos.
29
Nota-se, pelo resultado do estudo, que o trilhamento ocorre com maior incidência na região fase-fase do que na fase-neutro. Além disso, o trilhamento na superfície dos espaçadores ocorre principalmente em regiões onde a peça apresenta mais irregularidades superficiais.
Figura 20 - L ocais com as principais ocorrências de trilhamento elétrico (a) lado voltado para maior incidência de vento, (b) lado voltado para menor incidência de vento
Isso ocorre porque, quando o ar contendo partículas em suspensão flui através do espaçador, a eficiência com a qual estes aprisionam partículas, depende da sua forma geométrica, do tamanho e densidade das partículas e ainda da intensidade do fluxo de ar. No lado onde ocorre maior incidência de vento, o espaçador força o fluxo a se dividir e forma pontos de estagnação onde partículas podem ser aprisionadas (imperfeições da peça). Enquanto, no lado de menor incidência desse fluxo, estes pontos não existem. Os principais processos que transportam material para as superfícies dos isoladores e espaçadores são: •
Forças gravitacionais;
•
Atração eletrostática das partículas eletricamente carregadas;
•
Migração de partículas de alta permissividade11 em regiões de alta divergência12 de campo elétrico;
11 Partículas de alta permissividade têm facilidade para estabelecer linhas de campo no seu interior. 12
Regiões de alta divergência são regiões onde existe uma concentração de linhas de campo deixando aquele volume.
30
•
Evaporação de soluções ou suspensões e aprisionamento aerodinâmico de partículas.
Sendo o aprisionamento de partículas o mais importante deles. Todas essas condições de estresses múltiplos propiciam o trilhamento elétrico e a erosão fazendo com que os contatos acidentais com objetos aterrados provoquem curto-circuitos, podendo ocasionar o desligamento da rede pelo sistema de proteção, diminuindo desse modo a qualidade e confiabilidade do fornecimento de energia elétrica. 2.2.3 Características dos cabos e acessórios
Na Rede Protegida o campo elétrico é não confinado, sujeitando a superfície dos espaçadores, isoladores, acessórios e cabos a diferenças de potencial significativas. Essa diferença de potencial poderá ser mais intensa em função do sistema ser constituído por materiais poliméricos com formulações, quantidades, cargas, aditivos e processamentos diferentes, que podem alterar tanto as características físico-químicas dos materiais quanto as características dielétricas [3]; e ainda devido à existência de irregularidades na superfície dos acessórios da Rede Compacta. Os acessórios poliméricos (anéis, laços entre outros) têm permissividades superiores à do ar, sabendo-se que a densidade de fluxo de campo elétrico não depende da permissividade e que a intensidade desse campo é inversamente proporcional a permissividade, logo estando os dielétricos da rede em série, a densidade de fluxo é a mesma, porém o campo elétrico é mais intenso no meio com menor permissividade. Devido a estes fatores ao se projetar equipamentos para Redes Protegidas existe sempre o compromisso de utilização de materiais com a permissividade maior do que a do ar (1), como é o caso do polietileno (média 2,4). A Figura 21 mostra a influência das nervuras de um isolador cilíndrico na distribuição do campo elétrico ao longo do isolador. Na parte direita, com pequenas nervuras, tem-se um considerável aumento da intensidade do campo e as grandes nervuras, na parte à esquerda, não acarretam esse inconveniente [13].
31
Figura 21 - Influência das nervuras de um isolador na distribuição do campo elétrico
Para minimizar esse problema os equipamentos/acessórios para Rede Compacta têm geometria que permite distâncias de escoamento, através do uso de nervuras, sem imputar grandes diferenças de potencial às regiões de menor permissividade quando os dielétricos estiverem em série. Além disso, a geometria dos espaçadores, isoladores e acessórios de fixação propicia o acúmulo de materiais que contamina o material isolante, levando a concentração de campo elétrico. Essas partículas podem ser retiradas pelo fluxo de ar, pela lavagem da água da chuva ou ainda pela manutenção preventiva (lavagem) desses acessórios. Os dois problemas anteriores afetam a distribuição de campo elétrico, acarretando na ocorrência de pontos de concentração de campo e conseqüentemente os fenômenos de trilhamento elétrico e erosão. Na Figura 22 é mostrado um trilhamento elétrico e erosão no cabo coberto por material polimérico utilizado na Rede Protegida. O local da degradação ocorre onde os cabos fazem contato com o berço do espaçador e nas regiões de contato com as amarrações, as quais permitem o acúmulo de contaminantes.
32
Figura 22 - Foto do cabo da Rede Compacta com trilhamento elétrico na região em contato com o espaçador
Na Figura 23, observa-se, no corpo dos espaçadores, uma região com trilhamento elétrico onde esta não tem contato direto com o cabo ou acessórios. Essa degradação pode ter sido causada por imperfeição do material polimérico e/ou pela geometria deste acessório já que permite o acúmulo de contaminantes, criando caminhos condutivos que favorecem o trilhamento.
Figura 23 - Foto do espaçador com trilhamento elétrico numa região que permite acúmulo de poluentes
No laço de amarração da Figura 24 pode ser notado o trilhamento elétrico na região onde ocorre contato entre o laço e o cabo. Pode ser notado ainda que o laço apresente rebarba do processo de injeção o que favorece a acumulação de poluentes.
Figura 24 - Detalhe do laço de amarração com trilhamento no local de contato com o cabo coberto
Para um melhor desempenho do sistema [13] sugere que: •
•
•
Maior aior distânci di stância a entr entre e os cabos e os espaçadores, espaçadores, de manei aneira que não compro comprom meta a compactabilidade da rede, maior o nível básico de isolamento da peça; Os acessórios da rede devem ser do mesmo material polimérico do cabo; A fixação do do cabo deve deve ser ser fei feita ta de tal forma que liga pouca área de contato do cabo com o dispositivo de amarração;
33
•
•
A geom geometri etria a dos dos espaça espaçadores dores e isolad soladores ores não não promova a form formação ação de vórtices, vórti ces, ou seja, devem ser evitados os cantos vivos de forma a promover fluxos que não ocasionem aprisionamento de partículas; Dispositivos de amarração tais como laços e alças pré-formadas podem ser otimizados de forma a não permitir o aprisionamento de partículas. Na Figura 25 tem-se um exemplo de um espaçador que não necessita de acessório de amarração, pois é provido de uma alça incorporada ao corpo do espaçador, o que possibilita a fixação do cabo apenas pelo berço do espaçador, resultando em menor área de contato em relação aos demais espaçadores.
A geom geomet etriria a dos dos espa espaçad çadores, ores, isol i solad adores ores e ace acessóri ssórios os de fixaçã fi xação o afeta a distri distribuição buição de campo elétrico devido à presença de materiais com constantes dielétricas distintas e o aprisionamento de contaminantes e poluentes.
Figura 25 - Espaçador provido de alças incorporadas ao corpo do espaçador
3
CARACTERÍSTICA CARACTERÍSTICA DOS MATERIAIS POLIMÉRICOS EMPREGADOS NA REDE COMPACTA PROTEGIDA
3.1 POLÍMERO Polímero é uma macromolécula natural ou sintética, de alto peso molecular, formada pelo encadeamento de unidades moleculares fundamentais chamadas monômeros que se ligam por meio de uma reação denominada polimerização. Os polímeros formam muitos dos materiais que compõem:
34
•
•
•
Os organismos vivos como as proteínas (formadas pelo encadeamento de aminoácidos), a celulose (polissacarídeo), o amido (importante fonte de energia vegetal, é um polímero composto de glucose) e os ácidos nucléicos (polímeros de nucleotídeos, formados de uma base nitrogenada, um fosfato e um açúcar); A base de minerais nerais como o diam diamante (as cadei cadeias as de carbono form ormam uma uma rede tridimensional que dá ao material sua resistência), o quartzo e o feldspato; Os mat mate eria ri ais criad criados os pelo pelo homem homem, como como concreto, concreto, vidro, vidro, pape papell, plás plástitico, co, PV PV C, o Nylon, acrílico e borrachas.
A lguns pol políímeros naturai naturais, s, com como o as proteína proteínas, s, são compostos compostos de um um só tipo tipo de monômero, onômero, mas a maioria dos polímeros naturais e sintéticos é formada de vários tipos de monômeros que são chamados de copolímeros. Como as cadeias poliméricas são normalmente formadas pela união de um número aleatório de moléculas de monômeros, os polímeros não são constituídos de moléculas do mesmo tamanho. Conseqüentemente, pode-se definir apenas um valor médio para propriedades físicas como ponto de fusão e peso molecular. A elasticidade e a resistência à abrasão das borrachas, a resistência à tração das fibras e a flexibilidade e transparência dos filmes são também atribuídas ao grande tamanho das cadeias. O uso de materiais poliméricos como isolantes mostra a evolução da engenharia de materiais nos últimos anos que permitiu o desenvolvimento de compostos poliméricos altamente resistentes a esforços mecânicos e principalmente com um alto gradiente de rigidez dielétrica. Esses materiais substituem a cerâmica e o vidro de maneira vantajosa na medida edida emque representam representam umcusto custo bemmenor menor.. 3.2 PROPRIEDA PROPRIEDADE DE DOS DOS POLÍ POLÍMEROS MEROS USA USA DOS DOS NA REDE EL ÉTRICA ÉTRI CA O conjunto de propriedades, como resistência à degradação, resistência química, propriedades elétricas, flamabilidade, hidrofobicidade e resistência mecânica dos materiais poliméricos têm incentivado o uso desses elastômeros em composições para isoladores elétricos, espaçadores, fios e cabos para baixa e média tensão da Rede Compacta. Outro critério novo válido para os cabos protegidos, isolados ou espaçadores é que a capacidade de condução de corrente passa a ser um elemento importante no dimensionamento da rede. De fato no caso de condutores de alumínio nu o critério predominante era o de queda percentual de tensão. No caso de condutores cobertos ou
35
isolados os valores máximos permissíveis de corrente estão limitados pelas temperaturas máximas, às quais, a cobertura e a isolação estarão sujeitas, passando nesse caso a ser o critério predominante no dimensionamento. Com condutores operando operando a 90ºC 90ºC (X (X L PE) a rede rede será será mai maiss econômica para para a mesma capaci capacida dade de em em relaçã relação o aos condutores operando operando a 70ºC 70ºC (PV (PVC), embora nesse nesse aspe aspecto cto a Rede Convencional supere as alternativas anteriores já que o critério de capacidade de corrente praticamente não se aplica. Devido à utilização cada vez maior de materiais poliméricos em cabos de baixa e média tensão, há uma grande preocupação com o perigo à vida humana por causa das possibilidades de incêndio, como a liberação de fumaças e gases tóxicos. Esses materiais ao serem queimados geram produtos que agem como combustível, de modo que seria necessário um retardante de chama com o propósito de aumentar a resistência desses materiais à ignição e, ao mesmo tempo, reduzir a velocidade de propagação da chama. Uma das maneiras encontradas para se preparar materiais com retardante de chamas é a incorporação de aditivos que, durante a queima, sejam decompostos, absorvendo energia da fonte de ignição e liberando vapor d'água. O hidróxido de alumínio (ATH) é o agente retardante de chama mais utilizado e o seu consumo corresponde a 50% do volume total de todos os retardante retardantess de chama consum consumidos no mundo. mundo. As A s princi principa paiis vantage vantagens ns do AT ATH são o baixo custo e a baixa toxidez, decorrente da não liberação de gases tóxicos ou substâncias corrosivas durante a queima, agindo simultaneamente como retardante de chama e supressor de fumaça. Devido à grande utilização de polímeros nas mais diversas aplicações ao ar livre, surgiu a necessidade de garantir sua resistência às intempéries, não somente por aspectos estéticos como descoloração ou perda de brilho, mas também por mudanças nas suas propriedades. A diti ditivos vos que retardam retardam o envel envelheci hecim mento ento são de grande importância portância para para o desenvolvimento de materiais mais resistentes e com maior vida útil, principalmente para o setor elétrico onde a substituição de cabos, além de ser onerosa, causa a interrupção do fornecimento de energia.
36
3.3 POLÍ POLÍMEROS MEROS EMPREGADOS EMPREGADOS EM MATERI M ATERIAI AIS S ELÉTRICOS. ELÉTRICOS. Os principais polímeros empregados na Rede Compacta Protegida são: •
•
•
•
•
EPDM - terpolímero de etileno-propileno-dieno é um elastômero apolar com característica em aceitar grandes quantidades de carga, o que é um requisito básico para para apl apliicação cação em isolam solamento ento elétri elétrico. co. A presenta presenta uma uma boa boa resi resistênci stência a à radiaçã radiação o UV, ao ozônio e ao envelhecimento por calor. HDPE - polietileno de alta densidade é um termoplástico com alta cristalinidade, densidade, durabilidade, rigidez, resistência e resistência química; produzidos por catalizadores de metal de transição. L DPE DPE - poli polietil tileno de de bai baixa densi densida dade de é um termop termopllástico stico sem semicrista cri stallino, tem tem boa resistência química à maioria das solicitações, absorve pouca umidade, tem baixo custo, baixa constante dielétrica, baixa permissividade (a baixas e altas freqüências), alta resistividade e é de fácil processamento. Convencionalmente o L DPE DPE é ma manuf nufaturado turado por por processo processo de de pol poliimerizaç rizaçã ão via via radi radica caiis lilivres (polia (poli adição) dição) [14]. [14]. XLPE - polietileno reticulado exibe uma estrutura semicristalina similar à do L DPE DPE. El Ele é geralm geralme ente obti obtido a parti partirr do LDP LDPE E por reti reticulaçã culação o (form (forma ação ção de ligações covalentes entre as macromoléculas), também conhecida na indústria de plásticos como cura ou endurecimento. O produto final apresenta propriedades mecâni ecânicas, cas, e térmi térmicas cas superi superiores ores ao LD LDPE sem grandes grandes alteraçõe alteraçõess nas nas suas suas propriedades dielétricas [14]. Silicone - também chamado de polissiloxano, tem sua cadeia básica formada de átomos alternados de silício e oxigênio, de modo análogo ao dos compostos orgânicos. Por serem desprovidos de átomos de carbono em sua cadeia principal, esses polímeros não são considerados orgânicos, embora o sejam os radicais mais importantes ligados ao átomo de silício. Entre eles, o grupo metila (CH3) nos metilsilicones e o fenila (C6H5) nos fenil-silicones. O silicone é quimicamente inerte, resiste à decomposição pelo calor, água ou agentes oxidantes, é bom isolante elétrico e não apresenta atividade fisiológica.
37
Os primeiros cabos cobertos por material polimérico utilizados em redes aéreas no Brasil foram com XLPE (polietileno reticulado, termofixo) ou HDPE (polietileno de alta densidade, termoplástico). 3.3.1 Propriedades dos polímeros
As principais propriedades dos polímeros citados anteriormente, são: •
•
•
Isolamento elétrico – NBI (nível básico de isolamento), para suportar elevadas diferenças de potencial; Resistência mecânica – Resistência à tração, torção, alongamento na ruptura e resistência aos impactos, possibilitando a instalação desses cabos em postes; Hidrofobicidade – Não afinidade com a água, evitando que se forme um filme de água sobre o material, pois na presença de contaminantes poderá ocorrer uma descarga superficial degradando o material e o desligamento da rede pela operação do sistema de proteção.
Outra propriedade importante esperada dos polímeros é a resistência ao envelhecimento que pode ser provocado por oxidação, exposição a raios UV, ou por uma perda gradual de plastificante ou outros aditivos de baixo peso molecular, que são aplicados para agregar propriedades ao material (Ex. anti-chama, para reduzir a inflamabilidade do composto). O efeito do envelhecimento nas propriedades dos polímeros é desastroso, pois provoca riscos de acidente e desligamento acidental da rede. Por exemplo, a propriedade de elasticidade ao ser reduzida promove o ressecamento do material isolante, com perda gradual de massa e com isso aumenta a susceptibilidade a descargas elétricas superficiais, a perda da hidrofobicidade acelera o trilhamento elétrico causado por contaminantes, que na presença de água reduzem a resistividade superficial dos cabos e isoladores. Na reação de degradação, causadas pela oxidação, ligações químicas dos polímeros quebram formando radicais livres devido o aquecimento, a radiação ionizante, o esforço mecânico entre outras condições de estresses. O radical livre reage com oxigênio transformado-o em radical peróxi, que por sua vez abstrai hidrogênio de outra cadeia polimérica, gerando um radical livre na mesma. O grupamento hidroperóxido é pouco estável e se decompõe em dois novos radicais, um hidroxílico e outro hidrocarboxílico, que atacam duas novas posições no polímero aumentando a taxa de degradação do material, como mostra a Figura 26 [3].
38
(a) (b) (c)
(d) Figura 26 - Representação das reações químicas de degradação de polímeros (a) formação dos radicais livres, (b) reação do radical livre com O2, (c) formação do hidroperóxido (d) decomposição do hidroperóxido
Nos cabos têm-se duas frentes de degradação, uma a partir da superfície externa causada pelos efeitos dos estresses múltiplos e outra a partir da superfície próxima ao condutor por degradação térmica causada pelo efeito Joule. Esta temperatura depende da demanda de energia elétrica da rede. Para aumentar a resistência à degradação dos materiais poliméricos, estes podem ser aditivados contra os efeitos da radiação solar bem como contra a degradação térmica. Dos polímeros citados acima, o que menos sofre o processo de oxidação é o Silicone, pois não forma radicais livres, já que trata-se de um composto inorgânico. Os demais por serem compostos orgânicos necessitam de aditivos para reduzirem o processo de oxidação e aumentar sua vida útil. 3.3.2 Características dos cabos e materiais usados na rede compacta
As características físicas, bem como de formulação do polímero utilizado na fabricação dos cabos, variam muito de fabricante para fabricante. Alguns apresentam cobertura polimérica formada por uma camada de XLPE, outros, dupla camada, sendo HDPE na parte externa e LDPE ou XLPE na camada interna. O silicone ainda é pouco utilizado apesar das suas vantagens (resiste à decomposição pelo calor, água ou agentes oxidantes; bom isolante elétrico e não apresenta atividade fisiológica) devido ao seu alto custo. Os cabos cobertos normalmente possuem material de bloqueio (material usado entre os condutores, com o objetivo de evitar penetração de água pelas extremidades do cabo), sendo os materiais usados para esse fim bastante variáveis. Como exemplo, temos a pasta de etileno propileno, o polibutadieno ou silicone, o gel secante e outros. Ainda há fabricantes que envolvem os condutores e o material de bloqueio com fitas de PET (tereftalato de polietileno). A Figura 27 mostra um exemplo de cabo usado com uma fina
39
camada de HDPE na superfície e mais abaixo de XLPE, de difícil visualização porque ambos os polímeros estão pigmentados com negro de carbono.
Figura 27 - Vista da seção transversal de cabo coberto com material de bloqueio
Os acessórios para fixação, separação e conexão dos cabos e também para proteção de certos pontos vivos da Rede Compacta (pontos que podem ficar sem cobertura polimérica isolante) são compostos poliméricos. Tais acessórios são formados por diferentes tipos de polímeros: •
•
•
4
Os espaçadores e separadores normalmente confeccionados em HDPE; Os isoladores mais usados na Rede Compacta são em EPDM e HDPE. No entanto, existem no mercado, isoladores fabricados com borracha a base de silicone, mistura de EPDM e silicone e resina epóxi. Os isoladores podem ter vários tamanhos e formas, dependendo da necessidade de isolação ou do tipo de isolamento; Protetores de bucha e jumper são utilizados para promover proteção similar ao cabo da Rede Protegida contra contato com árvores, nas conexões dos cabos com os transformadores, onde cabo ou a conexão ficam desprotegidos. O material do protetor de bucha e de jumper deve ser HDPE ou XLPE.
ANÁLISE ECONÔMICA
A análise econômica para distribuição de energia elétrica não pode conter somente o valor inicial investido, deve contemplar o custo total do empreendimento, já que em redes de distribuição o custo da operação é na maioria das vezes maior que o investimento. O método para cálculo da análise econômico, apresentado a seguir, foi escolhido entre alguns pesquisados, pois era o que melhor enquadrava tais considerações.
40
4.1 MÉTODO PARA CÁLCULO DA ANÁLISE ECONÔMICA Custo total = Ii + FVPL x (Co+ End)
Onde: 1. Custo total : é o custo total do investimento. 2. Ii: é o investimento inicial para construção da rede. 3. FVPL: é o fator de atualização para um valor presente líquido. 4. Co: são os custos de operação e manutenção da rede. 5. End: é o custo de energia não distribuída. 4.1.1 Investimento inicial
O I nvestimento inicial (Ii) contemplará vários segmentos do projeto: Ii = Cp + Cm + Ce + Cc + Ca
Onde: 1. Cp: é o custo do projeto relacionado ao desenvolvimento de engenharia. 2. Cm: são os materiais que precisam ser adquiridos. 3. Ce: são os equipamentos que farão parte do sistema. 4. Cc: é o custo da construção da linha. 5. Ca: é o custo administrativo inerente a obra. O projeto pode ser elaborado por terceiros ou pela própria concessionária, sendo neste caso mais difícil especificar o seu valor. Os equipamentos estarão colocados na própria linha ou ainda dentro da subestação como as chaves seccionadoras, as chaves de manobra ou religadores. O custo de construção da linha, assim como, o custo administrativo inerente à obra dependerão do fato da obra ser terceirizada ou executada pela própria concessionária. As concessionárias têm em seu banco de dados levantamentos do custo aproximado da construção de uma rede de distribuição. De acordo com o banco de dados do ano de 2006 da concessionária Escelsa, para a Rede Compacta, os valores variam de R$50.000,00 a
41
R$80.000,00 por quilometro de cabo protegido no meio urbano, enquanto que para a Rede Convencional variam de R$ 40.000,00 a R$ 60.000,00 por quilometro. 4.1.2 FVPL FVPL é o fator de atualização para um valor presente líquido. Ou seja, os custos de
operação e de energia não distribuída são difundidos no tempo, considerando que a operação só irá consumir recursos no horizonte previsto de funcionamento daquela rede. Dessa maneira, terá que ser considerada para esse cálculo uma taxa de remuneração que traga para o valor presente os desembolsos que ocorrerão com o passar do tempo. 4.1.3 Custo operacional
O Custo operacional (Co) são custos de operação e manutenção da rede, que contempla diversos fatores. Co = Mp + Mc
4.1.3.1O Mp correspondeao custo de manutenção preventiva que contempla diversas atividades: Mp = Itv + Mlv + Ie + Mlm+ Mb + Sp + Ro
Onde: Itv: inspeção nas linhas primárias através da termovisão (pontos quentes). Mlv: manutenção primária com a linha viva (sem desligamento). Ie: inspeção das estruturas (com equipes de apoio preventivo). Mlm: manutenção primária com a linha morta (com desligamento). Mb: manobras operacionais (chaves e alimentadores). Sp: serviços de poda (de galhos de árvores próximos a rede). Ro: serviços de retirada de objetos das redes (em linha viva ou morta).
4.1.3.2O Mc corresponde a manutenção corretiva que pode ser assim explicada: Mc = Sr + Mt + Man
42
Onde: Sr: serviço de restabelecimento da interrupção com a equipe / terceiro de plantão. Mt: materiais a serem substituídos na rede. Man: serviço de manobra de alimentadores para restabelecimento.
Na Tabela 2, Seção 2.1.5, foi mostrado que com a Rede Compacta ocorre uma redução de aproximadamente 87% no custo da manutenção preventiva e de 90% na manutenção corretiva da rede. 4.1.4 Energia não distribuída
O custo de Energia não distribuída (End) por ano é igual: End = (Lc + Cs + DPR )/ano
4.1.4.1O Lc corresponde ao lucro cessante que a concessionária tem porque deixou de faturar energia naquele período. O lucro cessante pode estar diretamente associado com os índices de qualidade e confiabilidadedeserviço das concessionárias (DEC, FEC, DIC, FIC e DMIC). Na Seção 2.1.1 deste trabalho, foi apresentado que, com a Rede Compacta Protegida, ocorreu uma redução de quase 90% nas ocorrências de faltas, logo, os índices de qualidade e confiabilidade de serviço apresentaram bons resultados e conseqüentemente houve uma queda no custo de Energia não distribuída. 4.1.4.2O Cs é o custo social, que é quanto a sociedade em geral perde quando há falta de energia. Conseqüentemente, durante este período, verifica-se uma queda no faturamento da energia e na atividade econômica. 4.1.4.3A DPR corresponde à depreciação da redede distribuição. As concessionárias consideram um período de depreciação de 20 anos para o sistema de transmissão e distribuição, conforme éregido pela ANEEL. Desde que os dados para o cálculo da análise econômica sejam bem fundamentados é possível determinar uma análise de investimento que aproxime da realidade.
43
5
APLICAÇÕES EM ALTA TENSÃO
5.1 LINHA COMPACTA PROTEGIDA DE 69 KV As linhas de subtransmissão compactas para tensão de 69 kV são uma evolução do sistema de distribuição da Rede Aérea Compacta Protegida de média tensão, tendo aquelas as mesmas vantagens que estas. A Linha Aérea Compacta Protegida de 69 kV, desenvolvida em 1995, foi submetida inicialmente, a vários testes elétricos e mecânicos em laboratório, antes de sua aplicação no campo. A primeira aplicação dessa linha foi feita pela distribuidora Omaha Public Power Distric, no Estado de Nevada, EUA, em 1999 e, desde então, vem operando com excelentes resultados [4]. Esta linha é caracterizada, como a Rede Compacta de MT, por uma linha compacta com o uso de condutores cobertos por material polimérico fixados em espaçadores losangulares isolados e suspensos por um cabo mensageiro de alta resistência (Figura 28). O nível de isolamento e confiabilidade deste sistema é bem superior ao das Linhas Aéreas Convencionais para 69 kV (com condutores nus) e os custos operacionais bem inferiores.
Figura 28 - Vista geral da LinhaCompacta Protegida de 69 kV
5.1.1 Descrição do sistema
A Linha Aérea Compacta Protegida de 69 kV tem uma estrutura muito semelhante à de MT. Utiliza um mensageiro e espaçadores de polietileno de alta densidade, em forma de losango, que sustentam os cabos condutores. Estes, por sua vez, são cobertos por uma espessa camada de material isolante (Figura 29).
44
Figura 29 - Principais componentes da Linha Compacta Protegida de 69 kV
5.1.2 Especificações básicas dos componentes
Os itens seguintes apresentam a especificação básica de cada componente do sistema. Condutor: O cabo condutor da Linha Compacta de 69 kV, representado na Figura 30,
apresenta as seguintes camadas [4]: •
Condutor de alumínio CA compactado;
•
Blindagem semicondutora preta de polietileno sobre o condutor;
•
•
Cobertura interna em polietileno natural de baixa densidade (HMWPE 13) e de alta rigidez dielétrica (isolamento); Cobertura externa em polietileno de alta densidade (HDPE), com alta resistência ao trilhamento elétrico, abrasão, radiação UV e intemperismo.
Figura 30 - Camadas do cabo condutor coberto para 69 kV
13
O HMWPE é um polietileno de baixa densidade (LDPE).
45
O cabo coberto de 69 kV temgrande capacidade para resistir aos impulsos atmosféricos, a exemplo dos cabos de MT [4]. Na Tabela 3 estão apresentados os valores de carga de ruptura, ampacidade e resistência elétrica CC para os cabos cobertos de 69 kV mais usuais. Tabela 3 – Carga de ruptura, ampacidade, resistência elétrica CC dos cabos cobertos de 69 kV Seção (mm²)
Formação (nº de fios)
Diâmetro do Condutor (mm)
170,5 281,8 322,2 402,9
19 19 37 37
15,3 19,8 21,2 24
Diâmetro do Cabo14 (mm)
Carga de Ruptura (daN)
Resistência Ampacidade15 Elétrica CC (A) (Ω/km)
41,7 2695 435 0,169 46,2 4280 610 0,1023 17,6 5100 680 0,0895 50,4 6250 802 0,0716 Fonte: ProCABLE Energia e Telecomunicações Ltda, 2006 [4].
Espaçador: O espaçador, Figura 31, tem a função de sustentar os condutores e manter a
distância entre as fases. São instalados a cada 10 metros. Suas propriedades são [4]: •
Polietileno de alta densidade (HDPE). Composto altamente resistente ao trilhamento elétrico, radiação UV;
•
Alta resistência mecânica eflexibilidade perante cargas dinâmicas;
•
Alta resistência a batidas e impactos, mesmo de armas de fogo;
•
Grande distância de escoamento e saias autolaváveis evitando interrupções de serviço por poluição e névoa salina de ambientes industriais e orla marítima.
Figura 31 - Cotas do espaçador para Linha Compacta de 69 kV
14 15
Espessura total da cobertura de polietileno de 13,2 mm. Ampacidadepara vento =0,6 m/s, temperatura ambiente 30 ºC e no condutor 80 ºC.
46
As principais características do espaçador são apresentadas na Tabela 4. Tabela 4 - Características do espaçador de 69 kV Dimensões (mm)
BN
NA
BC
AC
1433 921
660
660
Altura (mm)
Distância Mín. de Escoamento (mm)
1450
2035
Diâmetro Máx. (mm) o r i e g a s n e M
19
r o t u d n o C
57,2
Tensão Massa Suportável (kg) de Impulso (kV)
6
Capacidade de Curto Circuito (kA)
350
30
Fonte: ProCABLE Energia e Telecomunicações Ltda, 2006 [4].
Cabo Mensageiro: O cabo mensageiro recomendado é um cabo constituído de fios de
aço-alumínio, conhecido como Alumoweld®. O alumínio é aplicado sobre um vergalhão de aço pelo processo de caldeamento e posteriormente trefilado a frio (Figura 32). O Alumoweld® oferece as vantagens de cada metal: boa condutividade do alumínio e alta resistência mecânica do aço [4].
Figura 32 - Cabo mensageiro de Alumoweld®
A condutividade do Alumoweld®é 3 a 4 vezes maior que o cabo de aço zincado. O cabo mensageiro tem ainda a função de cabo pára-raios, dando uma proteção adicional à linha perante descargas atmosféricas. Isso é muito vantajoso, principalmente para regiões como o sudeste do Brasil, onde a densidade de descargas atmosféricas é muito alta. O mensageiro também pode ser fornecido com fibras óticas internas ao cabo. Isolador Bastão: Os isoladores de ancoragem tipo bastão são os mesmos utilizados em
estruturas convencionas de linhas de transmissão. Apresentamum bastão de fibra de vidro, saias de silicone ou EPDM, engates deaço ou alumínio, para 69 kV [4]. Braço L: É de aço carbono ou forjado, zincados por imersão a quente. O braço “L” para a
linha de 69 kV tem1,50 metros de extensão (Figura 33) [4].
47
Figura 33 - Braço tipo "L" para uma Linha Compacta de 69 kV
5.2 VANTAGENS Os testes em laboratório e no campo e as primeiras aplicações da Linha Compacta de 69 kV confirmaram a capacidade do sistema e de seus componentes para ser utilizada com sucesso. O sistema Compacto de 69 kV foi desenvolvido para solucionar sérios problemas na subtransmissão apresentados pelas empresas industriais e de distribuição de energia, tais como [4]: •
Sua configuração compacta soluciona instalações em áreas muito congestionadas;
•
Reduz custos por direito de passagem;
•
Reduz custos de poda de árvores;
•
•
•
•
•
Reduzem custos de interrupções de serviço, perdas de faturamento e reclamações dos clientes; Reduz os requisitos de distância mínima a edificações e estruturas; Melhora a confiabilidade do serviço elétrico em áreas densamente arborizadas ou poluídas; O projeto dos espaçadores oferece alta resistência frente às elevadas correntes de falta (material composto - HDPE, distância de escoamento e saias autolaváveis); Sua configuração triangular muito compacta reduz a queda de tensão;
48
•
Simples e rápido de instalar, utilizando o Método de Lançamento por Roldanas (Roll-By Instalation Method);
•
Melhor regulação de tensão.
•
Adequada ao meio ambiente, preservando a arborização.
•
Linha compacta, mais estética.
•
Melhor relacionamento com entidades de controle, defesa eórgãos governamentais.
•
Proporciona melhor imagem da concessionária, com reflexos em suas ações negociadas em bolsas de valores.
Observa-se que a Linha Compacta Protegida de 69 kV apresenta as mesmas vantagens que a Rede Compacta Protegida para média tensão. 5.3
ANÁLISE DE CUSTOS
Um trabalho técnico realizado [4] comparou o custo de uma Linha Compacta Protegida e de uma Linha Convencional, ambas de 69 kV, sob o ponto de vista econômico. Para a análise econômica foi adotado a mesma metodologia desenvolvida na Seção 4 deste trabalho. O estudo de caso realizado foi numa interligação de duas subestações em Fortaleza, numa extensão de 2,9 km, onde foram consideradas duas opções: 1. Duas Linhas Convencionais de 69 kV, paralelas. 2. Duas Linhas Compactas Protegidas de 69 kV. Nas Tabelas 5, 6 e 7 estão apresentados respectivamente o Custo de Investimento Inicial, o Custo Operacional e o Custo de Energia não distribuída das duas opções de linhas em análise.
49
Tabela 5 - Custo do investimento inicial da Linha Convencional x Linha Compacta, para a tensão de 69 kV Descrição Materiais - Extensão de 2,9 Km Cabos e acessórios
Linha Convencional 69 kV (R$) 2 Linhas Paralelas
Linha Compacta 69 kV (R$) 2 Linhas Paralelas
132.153,66 204.451,35
790.968,81 301.806,87 39.071,82 410.848,32 71.754,36 1.614.450,18
Condutores, CA 281,8 mm² Isoladores / espaçadores Cabo mensageiro Conexões e ferragens Postes Subtotais Materiais
133.826,13 143.508,72 613.939,83
Construção Custos Administrativos - 12,2% Subtotais
83.394,72 96.895,68 180.290,40
239.408,82
Total Total (R$/km*nº linhas) Comparativo entre a Linha Convencional e a Compacta
794.230,23 136.936,25
1.853.859,00 319.630,86
100%
233,42%
239.408,82
Fonte: ProCABLE Energia e Telecomunicações Ltda, 2006 [4].
Tabela 6 - Custo operacional da Linha Convencional x Linha Compacta, para a tensão de 69 kV Descrição
Linha Convencional 69 kV (R$/km*nº linhas)
Linha Compacta 69 kV (R$/km*nº linhas)
Redução em usar a Linha Compacta
Manutenção Preventiva Manutenção Corretiva
6.371,79 2.075,40
685,09 626,02
89,25% 69,84%
Total
8.447,19
1.311,11
84,48%
Fonte: ProCABLE Energia e Telecomunicações Ltda, 2006 [4]
Tabela 7 - Custo de Energia não distribuída da Linha Convencional x Linha Compacta Protegida, para a tensão de 69 kV Descrição
Linha Convencional 69 kV (R$/km*nº linhas)
Linha Compacta 69 kV (R$/km*nº linhas)
Redução em usar a Linha Compacta
Energia não distribuída
34.264,46
6.416,46
81,27%
Total
34.264,46 6.416,46 81,27% Fonte: ProCABLE Energia e Telecomunicações Ltda, 2006 [4].
Para a análise foi considerando uma depreciação de 4 % aa, correspondente a um horizonte de estudo de 25 anos para o FVPL (valor presente líquido) e uma taxa de desconto de 10 % aa. Logo: FVA (25 a.; 10% aa.) =9,08. Na Tabela 8, temos a análise econômica da Linha Convencional em comparação com a Linha Compacta para uma tensão de 69 kV.
50
Tabela 8 - Análise econômica da Linha Convencional de 69 kV x Linha Compacta Protegida de 69 kV Descrição
Linha Convencional 69 kV (R$/km*nº linhas)
Investimento Inicial (Ii) Custo Operacional (Co) Energia não Distribuída (End) FVA
136.936,25 8.447,19 34.264,46 9,08
319.630,86 1.311,11 6.416,46 9,08
-133,42% 84,48% 81,27% 0
Total: Ii + FVA (Co + End)
524.758,03
389.797,23
25,72%
Linha Compacta Redução em usar a 69 kV Linha Compacta (R$/km*nº linhas)
Fonte: ProCABLE Energia e Telecomunicações Ltda, 2006 [4].
Com a análise anterior, verificou-se que o investimento inicial da Linha Compacta Protegida de 69 kV é mais que duas vezes o de uma Linha Convencional de 69 kV, porém, a Linha Compacta apresenta custos operacionais bem inferiores, o que acarreta numa redução do seu custo total. Esta relação chega aproximadamente a 25% comparado com a LinhaConvencional, justificando plenamente a suaaplicação. 5.4 ANÁLISE FINAL DO ESTUDO DA REDE COMPACTA PROTEGIDA DE 69 KV A Linha Compacta de 69 kV vem se apresentando como mais uma opção de construção junto com as já tradicionais linhas de subtransmissão aéreas de condutores nus e, as linhas subterrâneas, estas últimas, de custos bastante elevados. Tanto quanto as Redes de Distribuição Compacta Protegida de média tensão as Linhas Aéreas Compactas de 69 kV apresentamvárias vantagens, tais como: maior confiabilidade no fornecimento de energia elétrica, menor faixa de servidão, redução nas podas de árvores, custos operacionais bem inferiores aos das Linhas Convencionais onde empoucos anos de implantação, esses custos operacionais menores compensam o investimento inicial maior, dentre outras. 6
ESTUDO
DE
CASO
DE
UM
PROJETO
BÁSICO
DE
RECONDUTORAMENTO DE UMA REDE CONVENCIONAL PARA UMA REDE COMPACTA PROTEGIDA DE 11,4 KV.
6.1 OBJETIVO A fim de ilustrar a metodologia de dimensionamento de uma Rede Compacta Protegida, será desenvolvido o projeto de recondutoramento de 1 km de Rede de Distribuição Aérea Convencional, 11,4 kV para Rede de Distribuição Aérea Compacta Protegida, 11,4 kV em meio urbano. A rede que será substituída está localizada no município de Vitória, Espírito
51
Santo, no Bairro da Mata da Praia como mostrado na Figura 34. Cabe ressaltar que o objetivo do desenvolvimento deste exemplo de projeto é puramente ilustrar os procedimentos e não de realizar qualquer tipo de comparação entre os resultados obtidos com o uso da Rede Convencional e da Rede Compacta.
Av. Adal ber to Sim ão Nader
Bairro: Mata da Praia, Vitória, ES Av. Dante Mi ch eli ni
Figura 34 – Mapa do local (a rede a ser substituída está marcada em verde) onde será realizado o projeto de recondutoramento da Rede Convencional para Rede Protegida
6.2 JUSTIFICATIVA A necessidade da substituição da Rede Nua para a Rede Compacta surgiu devido os seguintes fatores: 1. O local do projeto tem ruas densamente arborizadas (Figura 35), desta forma, sofre restrições quanto à poda por parte da prefeitura, de órgãos governamentais e, ainda, de clientes que não querem perder a sombra que as árvores proporcionam e causar alteração na estética das ruas do bairro.
52
Figura 35 - Foto de uma das ruas do projeto de recondutoramento de Rede Convencional para Rede Protegida
2. Além disso, as árvores desse local são de espécies que necessitam de cortes drásticos (Figura 36) para obter maior intervalo entre podas. Porém, dessa forma inadequada, pode comprometer o vigor, a sanidade e a estética das árvores. Os órgãos ambientais, para inibir esse tipo de poda, realizam constantes fiscalizações e, para isso, exigem da concessionária de energia – Escelsa – dedicação especial nas podas periódicas decorrendo da necessidade de aumentar a freqüência de execução. 3. Outro motivo da substituição para a Rede Compacta é reduzir os riscos de um desligamento acidental devido a algum contato da rede com a vegetação, portanto, aumentar a confiabilidade no fornecimento de energia elétrica. Na Figura 37 tem-se uma foto de um local de flying tap da rede a ser recondutorada, onde é mostrada uma área de alto risco de desligamento devido à vegetação.
53
Figura 36 - Foto de uma das ruas que será realizado o projeto de recondutoramento, onde mostra uma árvore podada inadequadamente, comprometendo a estética da mesma
Figura 37 - Foto de um flying tap da rede a ser recondutorada. Observa-se uma área de alto risco de desligamento devido à vegetação densa
54
6.3 CONDIÇÕES GERAIS A rede a ser projetada é a do bloco da chave faca 2283 (CF 2283), normalmente fechada (NF), alimentador BFE01 (Subestação Bento Ferreira); até a chave faca 2894 (CF 2894), normalmente aberta (NA). As chaves seccionadoras estão representadas na Figura 38. Além de recondutoramento de todo bloco para cabo coberto, será proposto o aumento da bitola do condutor, entre as chaves 2283 e 2894, para possibilitar manobras através da chave seccionadora 2894, NA, propiciando assim remanejamento de carga com o alimentador CAR01 (Subestação Carapina).
Figura 38 - Croqui do local do projeto onde mostra a localização das chaves, transformadores, banco de capacitores e as estruturas da Rede Convencional existentes
55
6.4 PADRÕES UTILIZADOS Neste projeto, foram adotados os Padrões de Construção de Rede de Distribuição da concessionária de energia Escelsa: •
INS-PRO-11, 2005: Projetos para Redes de Distribuição Aéreas Urbanas [15];
•
PT.RD.06.002, 2003: Estruturas para Redes Compactas Protegidas[16];
•
INS-CON-14, 1997: Estruturas para Redes de Distribuição Aéreas Primárias
Compactas Protegidas [17]. 6.5 LEVANTAMENTO DE DADOS Para realização do projeto, foram feitas inspeções no local para verificar toda a Rede Convencional existente. Após esse levantamento, todos os postes foram nomeados, de P1 (poste onde está instalada a CF 2894) a P36, para maior entendimento do projeto. Temos no ANEXO B as fotos das estruturas da rede atual com suas respectivas nomeações. Dados complementares da rede, como: distância entre vãos, potência dos transformadores, alimentador; foram levantados na Escelsa. 6.6 DESCRIÇÃO DO PROJETO A Figura 39 mostra o bloco a ser recondutorado. Toda a rede está representada na figura, de acordo com a situação atual: •
•
•
Os equipamentos instalados (transformadores, pontos de entrega, bancos de capacitores, chaves fusível e chaves faca) estão sendo representados através da codificação de cores dos postes; As distâncias entre os vãos estão em metros; As identificações dos postes são feitas de P1 a P36. No poste P1 está localizado a chave seccionadora CF 2894 (NA), enquanto no poste P33, está a chave seccionadora CF 2283 (NF).
56
Figura 39 - Bloco a ser recondutorado, com todas posteações e equipamentos existentes representados
57
6.6.1 Estruturas
Após análise da rede existente, foi definida, conforme critério de projeto (Tabela 9), as estruturas da Rede Compacta a serem instaladas. Têm-se na Figura 40, todas as estruturas da Rede Convencional que serão desativadas e as que serão instaladas para a Rede Compacta e o detalhamento dessa substituição, poste a poste, está na Tabela 10. A quantia total de estruturas a desinstalar e a instalar está na Tabela 11. Todos os novos modelos de estruturas da Rede de Aérea Compacta Protegida a serem instalados estão no ANEXO C. Tabela 9 - Critério de projeto para estruturas Estrutura
Critério
CE1 CE2 CE3 CE4 CE-CF CE-CS
Rede tangente com ângulo até 6° Rede tangente com ângulo entre 6° e 60°. Final derede Rede tangente com ângulo entre 60° e 90° Estrutura para comportar Chave Fusível Estrutura para comportar Chave Faca
OBS. Transformadores, capacitores e pontos de entrega deverão ser instalados nos postes com estruturas CE2, CE3 ou CE4 para permitir a instalação de chave fusível. Fonte: PT.RD.06.002, 2003 [16].
As chaves faca e fusível, como também, os pára-raios permaneceram instalados nos mesmos pontos de antes do recondutoramento. As chaves faca devem ser instaladas nas estruturas de transição da Rede Nua para Rede Compacta e vise verse, enquanto que as chaves fusível devem estar nas estruturas com transformadores, banco de capacitores, ponto de entrega e no início de ramais. Os pára-raios devem ser instalados em todos os transformadores, estruturas com banco de capacitores, chaves fusível, transições de rede (instalar do lado da rede nua), chaves seccionadoras (chave faca) que operem normalmente fechadas (instalar no lado da rede protegida), chaves seccionadoras (chave faca) que operem normalmente abertas (instalar dois jogos de pára-raios, um em cada lado).
58
Figura 40 - Estruturas a desinstalar na Rede Convencional e a instalar na Rede Compacta Protegida
59
Tabela 10 - Detalhe das estruturas a serem instaladas (Rede Compacta) e desinstaladas (Rede Nua) em cada poste do bloco Poste
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P28 P29 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36
Estrutura
Desinstalar
Equipamento
Instalar
Chave Faca CE-M3 M3+M3 N3 M1 M3 M1 M2 M2 M3 M3 M1 M1 M3 M1 M3 M1 M2 M2 M2 M3 M1 M2 M3 M1 M1 M2 M3 M1 M1 M4 M4 N3 N2 N3 M1
CE1 CE4 CE3 CE2 CE3 CE1 CE2 CE3 CE-CF CE3 CE1 CE1 CE3 CE1 CE3 CE1 CE2 CE3 CE-CF CE3 CE1 CE2 CE-CF CE2 CE2 CE3 CE-CF CE1 CE2 CE2 CE4 CE-CS CE3 CE2 CE2
Transformador Transformador Chave Faca Transformador
Transformador Transformador Transformador Chave Faca Transformador Ponte de Entrega Chave Faca Transformador Ponte de Entrega Ponte de Entrega Chave Faca Ponte de Entrega Banco de Capacitores ChaveFusível Ponte de Entrega Ponte de Entrega Ponte de Entrega
Tabela 11 - Total de estruturas a desinstalar (Rede Nua) e a instalar (Rede Compacta) Desinstalar
Estrutura M1 M2 M3 M4 N3 N2 CE-M3
Total 12 7 10 2 3 1 1
Instalar
Estrutura CE1 CE2 CE3 CE4 CE-CF CE-CS
Total 8 10 10 2 4 1
60
6.6.2 Cabos
A Escelsa utiliza como padrão de cabo coberto, duas seções de cabo, 185 mm² e 50 mm² [16]. Para possibilitar manobras na chave 2894 (NA) foi definido que os cabos a serem intalados no ramo principal do bloco, entre as chaves 2283 e 2894, terá 185 mm² e o restante 50 mm² (Figura 41). O detalhe dos cabos protegidos a serem instalados e desinstalados está exibido na Tabela 12; e na Tabela 13, a quantia total de cabos a desinstalar e a instalar. Tabela 12 - Detalhe dos cabos a serem instalados (Rede Compacta) e desinstaladas (Rede Nua) em todos os vãos
16
Vão
Distância (m)
P1-P2 P2-P3 P3-P5 P5-P6 P4-P7 P7-P8 P8-P12 P9-P10 P11-P10 P12-P13 P13-P17 P14-P15 P16-P15 P17-P18 P18-P36 P21-P22 P22-P23 P23-P20 P20-P24 P24-P25 P25-P26 P26-P27 P19-P28 P28-P29 P29-P35 P35-P34 P36-P30 P30-P31 P31-P32 P32-P33
28,9 35 37,8 31,7 15,6 40,9 36,2 33,8 39,2 33,1 31,7 52,77 38,05 33,15 34,7 22,4 26,5 39,7 42,4 28,2 31 36,2 20,2 26,7 40 45,4 33,6 36,5 35,9 20,4
Cabos
Desinstalar16 (AWG) 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 2 1/0 1/0 1/0 2 1/0 1/0 2 2 2 1/0 2 2 2 2 2 2 2 1/0 1/0 1/0 1/0
Instalar (mm²) 185 185 185 185 185 185 185 50 50 185 185 50 50 185 185 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 185 185 185 185
Os cabos tipo 2 AWG têm33,63 mm², enquanto que os de1/0 AWG têm53,50mm²
61
Figura 41 - Cabos a instalar no recondutoramento para a Rede Compacta Protegida
62
Tabela 13 - Total de cabos nus a desinstalar (Rede Nua) e cobertos a instalar (Rede Compacta) Desinstalar
Cabo (AWG) 1/0 2
Total (m) 614,12 393,55
Instalar
Cabo (mm²) 185 50
Total (m) 485,15 522,52
O cabo mensageiro utilizado será de aço zincado com 9,5 mm de diâmetro, carga de ruptura de 3.160 daN. Será necessário aproximadamente 1 km de cabo de acordo com a Tabela 14. Não será permitida a emenda do cabo mensageiro no meio do vão. Tabela 14 - Total de cabos mensageiros a instalar (Rede Compacta) Cabo Mensageiro a Instalar
Cabo (mm)
Total (m)
9,5
1007,67
6.6.3 Postes
Para dimensionar os postes do projeto foi mapeada, além da Rede Compacta, toda a Rede de Baixa Tensão existente, conforme mostra a Figura 42. Com os esforços exercidos pelas duas redes, BT e Compacta de 11,4 kV, foi determinada qual a resistência mínima de cada poste. O critério de projeto utilizado para dimensionar os postes foi conforme o padrão [15]. A metodologia aplicada para calcular a resultante de esforços sobre os postes está representada na Figura 43, que mostra, como exemplo, todas as forças exercidas no poste P3.
63
Figura 42 - Rede Protegida de 11,4 kV e Rede de Baixa Tensão
Figura 43 - Esforços dos cabos da BT e MT; e resultante no poste P3
64
A resultante dos esforços que atuam num poste é determinada pela soma das trações exercidas por cada tipo de cabo instalado, BT e de MT (Rede Compacta), sendo que tal resultante determinará a resistência mínima para o mesmo. Para todos os postes do bloco foi adotada a mesma metodologia exemplificada na Figura 45. A resultante dos esforços em cada poste do bloco está exibida na Tabela 15. A Tabela 16 apresenta a tração queos cabos analisados exercema 20 cmdo topo do poste. Tabela 15 - Esforços resultantes em cada poste do bloco Poste
Tipo Altura(m)/ resistência(daN)
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P28 P29 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36
11/300 11/300 11/1000 11/1000 11/300 11/1000 11/300 11/300 11/600 11/300 11/600 11/300 11/300 11/600 11/300 11/600 11/300 11/300 11/600 11/300 11/1000 11/300 11/300 11/300 11/300 11/300 11/600 11/300 11/300 11/300 11/300 11/1000 11/600 11/1000 11/300 11/300
Equipamento
Chave Faca
Transformador Transformador Chave Fusível Transformador
Transformador Transformador Transformador Chave Fusível Transformador Ponte de Entrega Chave Fusível Transformador Ponte de Entrega Ponte de Entrega Chave Fusível Ponte de Entrega Banco de Capacitores Chave Faca Ponte de Entrega Ponte de Entrega Ponte de Entrega
Esforço (daN)
0 0 1238 995 0 645 17 0 350 0 350 0 0 350 0 350 0 0 350 0 745 0 0 0 0 0 350 0 0 0 0 740 350 745 0 0
Poste a Instalar
11/1500
65
Tabela 16 - Esforços causados por cada tipo de cabo do Circuito Primários e Secundário
Circuito
Primário Secundário
Poste 11m - Esforços a 20cm do topo Vãos de até 80m Esforços Cabo (daN)
P50 P185 70mm² 3#1/0
350 645 412 395 Fonte: INS-PRP-11 [15]
Conforme mostrado na Tabela 17, só será necessária a substituição do poste P3, de 1000 daN para 1500 daN , já que a sua resultante foi de 1238 daN. A altura do poste é definida pelo número de circuitos de Média Tensão conforme a norma [17]. Como a rede projetada possui apenas um circuito de média todos os postes permaneceram com 11 metros de altura. 6.6.4 Espaçadores
A instalação de espaçadores deve ser feita conforme as notas abaixo [15]: •
•
•
Nas estruturas CE1 os primeiros espaçadores do vão devem ser instalados de 7 a 9 m, à direita e à esquerda da estrutura; Em estruturas de ancoragem com equipamentos e estruturas tipo CE2, os espaçadores devem ser instalados a aproximadamente 13 m à direita e à esquerda da estrutura; Ao longo do vão, alémdos espaçadores previstos nas estruturas, instalar outros com intervalos de 7 a 9 metros.
6.6.5 Demanda máxima
A Tabela 17 exibe a demanda máxima dos transformadores, pontos de entrega e do banco de capacitores existentes no bloco. O critério adotado para determinar a demanda máxima da rede foi considerado a potência nominal dos transformadores, a soma das potências nominais dos transformadores instalados nos pontos de entrega e a potência nominal do banco de capacitores. Assumindo que todas as cargas têm perfil residencial, foi adotado um fator de potência de 0,93, conforme dado da Escelsa. Na Figura 44, tem-se uma foto do poste P23, onde é mostrado um ponto de entrega.
66
Tabela 17 - Demanda máxima de carga Demanda máxima
Poste P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P28 P29 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36
Potência (kVA)
fp
Pot. Ativa (KW)
Transformador
45
0,93
41,85
16,54
41,85+16,54i
Transformador
75
0,93
69,75
27,56
69,75+27,56i
Chave Fusível Transformador
75
0,93
69,75
27,56
69,75+27,56i
Transformador
45
0,93
41,85
16,54
41,85+16,54i
Transformador Transformador Chave Fusível Transformador
75 150
0,93 0,93
69,75 139,5
27,56 55,13
69,75+27,56i 139,5+55,13i
112,50
0,93
104,625
41,35
104,625+41,35i
112,50
0,93
104,625
41,35
104,625+41,35i
75 225 187,50
0,93 0,93 0,93
69,75 209,25 174,375
27,56 82,7 68,91
69,75+27,56i 209,25+82,7i 174,375+68,91i
Ponto de Entrega Banco de Capacitores
300 600
0,93 0,00
279 0
110,26 -600
279+110,26i -600i
Chave Faca Ponto de Entrega Ponto de Entrega Ponto de Entrega
300 300 150
0,93 0,93 0,93
279 279 139,5
110,26 110,26 55,13
279+110,26i 279+110,26i 139,5+55,13i
Equipamentos
Pot. Reativa Pot. Complexa (KVAR) (KVA)
Chave Faca
Ponto de Entrega Chave Fusível Transformador Ponto de Entrega Ponto de Entrega Chave Fusível
67
Figura 44 - Foto do ponto de entrega no poste P23
6.6.6 Queda de tensão
Na Figura 45 esta mostrada a queda de tensão percentual nos pontos com carga instalada, emrelação ao poste P33. Admitiu-se tensão de 11,4 KV em P33 durante os cálculos. O cálculo da queda de tensão, em relação ao poste P33, nos pontos com carga, foi determinado através do fator de queda de tensão, o comprimento do cabo entre os pontos do circuito e a potência instalada. A potência instalada considerada foi obtida da Tabela 17 já citada anteriormente.
68
Figura 45 - Queda de tensão em percentual nos pontos com carga
69
O fator de queda de tensão foi determinado conforme o padrão [14], apresentado na Tabela 18. Foi considerado o fator de potência de carga instalada de 0,93; e aplicado um fator de queda de tensão calculado em função dos valores existentes para fp igual a 1 e 0,8, utilizando o método linear. Tabela 18 - Percentual de queda de tensão para cabos protegidos numa Rede de 11,4 kV Seção (mm²)
50 185
Coeficiente de queda de 11,4kV [%/(MVA x km)]
fp=1 fp=0,8 0,41 0,16
0,6 0,24
fp=0,93 (aplicado) 0,5335 0,212
O comprimento do cabo entre os pontos do circuito, postes e locais de flying tap, estão mostradas na Tabela 19. Tabela 19 - Comprimento do cabo entre pontos do circuito Circuito
Distância (m)
Circuito
Distância (m)
Circuito
Distância (m)
P1-P2 P2-P3 P3-P5 P5-P6 P4-P7 P7-P8 P8-P12 P9-P10 P11-P10 P12-P13 P13-P17 P14-P15 P16-P15 P17-P18 P18-P36
28,9 35 37,8 31,7 15,6 40,9 36,2 33,8 39,2 33,1 31,7 52,77 38,05 33,15 34,7
P21-P22 P22-P23 P23-P20 P24-P20 P25-P24 P26-P25 P27-P26 P28-P19 P29-P28 P35-P29 P34-P35 P36-P30 P30-P31 P31-P32 P32-P33
22,4 26,5 39,7 42,4 28,2 31 36,2 20,2 26,7 40 45,4 33,6 36,5 35,9 20,4
P5-FT1 FT1-P7 P8-FT2 P10-FT2 FT2-P12 P13-FT3 P15-FT3 FT3-P17 P18-FT4 P20-FT4 FT5-FT4 FT4-P36 P24-FT5 P28-FT5 P19-FT5
5,80 7,40 15,40 20,00 22,10 18,60 22,20 13,70 21,90 22,00 12,60 12,60 9,50 4,60 14,00
Com estes dados foi calculada a queda de tensão em todos os vãos, a queda de tensão acumulada e a corrente por fase, conforme mostra a Tabela 20.
70
Tabela 20 - Queda de tensão e corrente no cabo protegido Tronco – 185 mm² Carga-Fonte
P1-P2 P2-P3 P3-P5 P5-FT1 FT1-P7 P7-P8 P8-FT2 FT2-P12 P12-P13 P13-FT3 FT3-P17 P17-P18 P18-FT4 FT4-P36 P36-P30 P30-P31 P31-P32 P32-P33 Carga-Fonte
P11-P10 P10-FT2 Carga-Fonte
P16-P15[ P15-FT3 Carga-Fonte
P21-P22 P22-P23 P23-P20 P20-FT4 P27-P26 P26-P25 P25-P24 P24-FT5 P34-P35 P35-P29 P29-P28 P28-FT5 P19-FT5 FT5-FT4
Demanda Máxima Queda de Tensão Queda de Tensão no Corrente na Carga Acumulada Acumulada na Carga Trecho (A) (kVA) (%)
0 0 0 41,85+16,54i 41,85+16,54i 41,85+16,54i 116,85+16,54i 186,6+44,1i 186,6+44,1i 186,6+44,1i 228,45+60,64i 228,45+60,64i 303,45+60,64i 1454,325+515,46i 1604,325+515,46i 1904,325+515,46i 1904,325-84,54i 1904,325-84,54i
0,00000% 0,00000% 0,00000% 0,00005% 0,00006% 0,00036% 0,00035% 0,00083% 0,00124% 0,00070% 0,00063% 0,00153% 0,00132% 0,00379% 0,01104% 0,01404% 0,01334% 0,00758%
0,05687% 0,05687% 0,05687% 0,05687% 0,05682% 0,05675% 0,05640% 0,05604% 0,05521% 0,05398% 0,05328% 0,05265% 0,05112% 0,04980% 0,04601% 0,03497% 0,02093% 0,00758%
0,00 0,00 0,00 2,28 2,28 2,28 5,98 9,71 9,71 9,71 11,97 11,97 15,67 78,14 85,34 99,91 96,54 96,54
Fly Tap 2 - Ramal 50mm² Demanda Máxima Queda de Tensão Queda de Tensão no Corrente na Carga Acumulada Acumulada na Carga Trecho (A) (kVA) (%)
69,75+27,56i 69,75+27,56i
0,00172% 0,00088%
0,05864% 0,05692%
3,80 3,80
Fly Tap 3 - Ramal 50mm² Demanda Máxima Queda de Tensão Queda de Tensão no Corrente na Carga Acumulada Acumulada na Carga Trecho (A) (kVA) (%)
41,85+16,54i 41,85+16,54i
0,00100% 0,00058%
0,05487% 0,0539%
2,28 2,28
Fly Tap 4 - Ramal 50mm² Demanda Máxima Queda de Tensão Queda de Tensão no Corrente na Carga Acumulada Acumulada na Carga Trecho (A) (kVA) (%)
104,625+41,35i 104,625+41,35i 209,25+82,7i 209,25+82,7i 174,375+68,91i 383,625+151,61i 453,375+179,17i 453,375+179,17i 279+110,26i 558+220,52i 558+220,52i 558+220,52i 139,5+55,13i 1150,875+454,82i
0,00147% 0,00174% 0,00523% 0,00290% 0,00397% 0,00748% 0,00804% 0,00271% 0,00797% 0,01404% 0,00937% 0,00161% 0,00123% 0,00912%
0,06114% 0,05967% 0,05792% 0,05270% 0,08113% 0,07715% 0,06967% 0,06163% 0,09192% 0,08395% 0,06991% 0,06054% 0,06015% 0,05892%
5,70 5,70 11,40 11,40 9,50 20,89 24,69 24,69 15,19 30,39 30,39 30,39 7,60 62,67
71
Conforme a Tabela 20, a demanda calculada até o FT2 é a demanda acumulada até o P8 mais a do ramal desse flying tap, e assim conseqüentemente para o ramal FT3. Para calcular a demanda do FT5 foi calculada primeira a demanda do trecho de P21 até o FT4, depois do trecho do P27 até FT5, do P34 até FT5 e do P19 até FT5 e finalmente do FT5 para o FT4. Somando as duas demandas vindas do ramal do flying tap 4 (P21-FT4 e FT5FT4) mais a demanda vinda do poste P18 obteve-se a demanda no FT4. Somando-se as demandas seguintes, até o P33, foi encontrada a demanda na chave CF 2283 de 1,906 MVA. A potência máxima está no poste P30 com 1,972MVA. 6.6.7 Remanejamento de carga
Na Tabela 21 esta exibida a capacidade de condução de corrente do cabo protegido para temperatura ambiente de 40°C. A partir dessa capacidade de condução de corrente do cabo de 185 mm² pode ser calculado a potência total de carga que poderá ser remanejada através do bloco recondutorado. Supondo uma eventual falta no alimentador BFE01 poderá ser remanejado através da chave 2894, NA, 7,4 MVA de carga desse alimentador para o alimentador CAR01; a situação contrária também pode ser considerada. A carga de 7,4 MVA foi calculada a partir da equação abaixo: capacidade do cabo – demanda máxima no bloco = 9,379 – 1,972 = 7,4 MVA
Tabela 21 - Capacidade de condução de corrente do cabo protegido Seção (mm²)
Corrente Admissível 40°C (A)
Potência KVA, 11,4 KV
50 185
217 475
4285 9379 Fonte: INS-PRP-11 [15]
6.6.8 Notas gerais
1. O sistema de distribuição deve ser com neutro contínuo multi e solidamente aterrado e interligado à malha de terra da subestação. Na Rede Compacta projetada o neutro da rede será o cabo mensageiro. 2. Para que a seqüência de fases seja mantida, a instalação dos cabos nos espaçadores e separadores verticais ao longo da rede deve obedecer a convenção mostrada no ANEXO D.
72
7
CONCLUSÃO
Pode-se concluir com este trabalho que a Rede Aérea Compacta é uma solução eficaz para a distribuição de energia elétrica em aplicações como: áreas arborizadas, regiões com estreita faixa de passagem e locais com ala ocorrência de objetos na rede; isso a custos economicamente compatíveis com a realidade nacional. Além disso, diminuindo muito o número de falhas devido à redução de contatos acidentais e, conseqüentemente, reduzindo os indicadores DEC, FEC, DIC, FIC e DMIC daquele sistema, em comparação com a Rede Convencional. A Rede Compacta propicia benefícios ecológicos, diminuição da poluição visual, melhoria da confiabilidade do fornecimento de energia, redução da faixa de passagem, redução de custo de manutenção, além de melhorar o relacionamento com entidades de controle ambiental e órgãos governamentais. Em contrapartida, sob solicitações de multiestressamento, a geometria dos seus acessórios e a constituição de diferentes materiais isolantes presentes na rede pode causar trilhamento elétrico e erosão no material polimérico. Para reduzir os fenômenos de trilhamento e erosão, a geometria dos acessórios da rede não deve propiciar o acúmulo de partículas que contaminam o material isolante e tampouco possuir materiais poliméricos de constantes dielétricas distintas. Dos polímeros utilizados para cobertura dos cabos da Rede Compacta, o que menos sofre o processo de oxidação é o silicone, os demais por serem compostos orgânicos necessitam de aditivos para reduzirem esse processo e aumentar sua visa útil. O investimento inicial (projeto, construção) da Rede Compacta Protegida é maior do que o da Rede Convencional, mas quando se trata de uma análise de custo em longo prazo, observa-se que os custos operacionais (manutenção preventiva e corretiva), custo de energia não distribuída que poderia estar sendo consumida e custos devido às reclamações dos clientes (podendo causa multas para as concessionárias) são bem inferiores aos da Rede Convencional. Devido as tantas vantagens da Rede Aérea Compacta Protegida para média tensão, foi desenvolvida a Linha Compacta Protegida de 69 kV, que apesar de ainda não ter sido aplicada no Brasil, está obtendo bons resultados de aplicação em outros países, por exemplo, nos EUA.
73
Ao final do trabalho foi realizado o projeto básico de substituição de uma Rede Convencional Aérea de 11,4 kV para a Rede Compacta Protegida de 11,4 kV. Esta rede está localizada no Bairro Mata da Praia, município de Vitória, E.S. e pertence ao alimentador BFE01, do bloco da chave seccionadora CF 2283 (NF) até a chave CF 2894 (NA). Os principais resultados obtidos no projeto foram: 1. No tronco do bloco serão utilizados 486 m de cabo coberto com 185 mm 2 e nos ramais, 523 m de cabo coberto com 50 mm2; 2. Será utilizado aproximadamente 1 km de cabo mensageiro de 9,5 mm de diâmetro; 3. Será substituído apenas o poste P3 de 11 m/1000 daN para 11 m/1500 daN em todo o bloco para o recondutoramento; 4. A queda de tensão máxima calculada no bloco foi de 0,09192% no poste P34; 5. As chaves faca e fusível não serão substituídas e nemtrocadas de posteação; 6. Os transformadores e banco de capacitores também não sofreram alteração de posteação; 7. Serão utilizadas: 8 estruturas CE1, 11 estruturas CE2, 9 estruturas CE3, 2 estruturas CE4, 4 estruturas CE-CF e 1 estruturas CE-CS; 8. A demanda máxima calculada no bloco foi no poste P30 com1,972 MVA.
74
ANEXO A
A resolução da ANEEL, número 024 de 27 de Janeiro de 2000 estabelece as disposições relativas à continuidade da distribuição de energia elétrica para as unidades consumidoras, destacando-se nesse ponto as definições de DEC, FEC, DIC, FIC e DMIC. Uma parte da resolução está transcrita abaixo [8]. “Art. 1o Estabelecer, na forma que se segue, as disposições relativas à continuidade da distribuição de energia elétrica, nos seus aspectos de duração e freqüência, a serem observadas pelas concessionárias e permissionárias de serviço público de energia elétrica às unidades consumidoras. Art. 2o A continuidade da distribuição de energia elétrica deverá ser supervisionada, avaliada e controlada por meio de indicadores coletivos que expressem os valores vinculados a conjuntos de unidades consumidoras, bem como indicadores individuais associados a cada unidade consumidora... IV - Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora (DEC) Intervalo de tempo que, em média, no período de observação, em cada unidade consumidora do conjunto considerado ocorreu descontinuidade da distribuição de energia elétrica. V - Duração de Interrupção Individual por Unidade Consumidora (DIC) Intervalo de tempo que, no período de observação, em cada unidade consumidora ocorreu descontinuidade da distribuição de energia elétrica. VI - Duração Máxima de Interrupção Contínua por Unidade Consumidora (DMIC) Tempo máximo de interrupção contínua, da distribuição de energia elétrica, para uma unidade consumidora qualquer. VII - Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora (FEC) Número de interrupções ocorridas, em média, no período de observação, em cada unidade consumidora do conjunto considerado. VIII - Freqüência de Interrupção Individual por Unidade Consumidora (FIC)
75
Número de interrupções ocorridas, no período de observação, em cada unidade consumidora. IX - Indicador de Continuidade Representação quantificável do desempenho de um sistema elétrico, utilizada para a mensuração da continuidade apurada e análise comparativa com os padrões estabelecidos. XV - Metas de Continuidade Valores máximos estabelecidos para os indicadores de continuidade, a serem observados: mensal, trimestral e anualmente nos períodos correspondentes ao ciclo de revisão das tarifas, conforme resolução específica.
76
ANEXO B
Rede Convencional 11,4 kV a ser recondutorada
77
ANEXO B
78
ANEXO B
79
ANEXO C
Estruturas da Rede de Distribuição Compacta Protegida Estrutura Básica CE117
OBS.: - É utilizada em ângulo de 0° a 6°. - Todas as medidas estão em mm.
17
PT.RD.06.002
80
Estrutura Básica CE218
OBS.: - É utilizada em ângulo de 6° a 60°. - Todas as medidas estão em mm.
18
PT.RD.06.002
81
Estrutura Básica CE319
OBS.: - É utilizada em finais de rede. - Todas as medidas estão em mm.
19
PT.RD.06.002
82
Estrutura Básica CE420
OBS.: - É utilizada em ângulos de 0 a 90º ou em ancoragem. - Todas as medidas estão em mm.
20
PT.RD.06.002
83
Relação de Materiais das Estruturas CE1, CE2, CE3 e CE4 Estruturas CE1, CE2, CE3 e CE4
Item A-1 A-2 A-3 A-4 A-8 A-9 A-35 C-4 C-6 C-12 E-2 F-1 F-2 F-3 F-4 F-5 F-6 F-10 F-11 F-12 F-13 F-16 F-17 F-30 F-30a F-50 P-1 O-1 O-2 O-17
Descrição Espaçador de fases losangular Braço anti-balanço Isolador de pino polimérico Isolador de ancoragem polimérico Grampo de ancoragem Alça pré-formada para cabo mensageiro Capaprotetora para conector - 15 kV Cabo de aço SM 9,5 mm Fio de cobre nu 16 mm2 Fio coberto ou anel deamarração Pára-raios Cinta Braço suporte tipo L Braço suporte tipo C Suporte auxiliar Parafuso cabeça abaulada- 16 x 45 mm Parafuso cabeça abaulada- 12 x 40 mm Pino curto de isolador Olhal para parafuso Sapatilha Manilhasapatilha Estribo para braço tipo L Haste de terra aço-cobre Parafuso cabeça quadrada- 16 x TA Parafuso cabeçaquadrada - 16 x 125 mm Suporte Z Poste Conector tipo cunha Conector terminal barra-cabo Conector de aterramento
84
Estrutura CE-CF21 (Chave Fusível)
OBS.: - Todas as medidas estão em mm.
21
PT.RD.06.002
85
Estrutura CE-CS22 (Chave Faca)
OBS.: - Este tipo de estrutura pode ser utilizada também para instalação de chaves fusíveis. - Todas as medidas estão em mm.
22
PT.RD.06.002
86
Relação de Materiais das Estruturas CE-CS e CE-CF Estruturas CE-CS e CE-CF
Item A-2 A-3 A-4 A-8 A-9 A-21 A-35 C-1 C-3 C-4 C-6 E-2 E-3 E-9 F-1 F-2 F-3 F-4 F-5 F-5c F-6 F-9 F-11 F-12 F-13 F-17 F-30 F-30a F-45 F-50 P-1 O-1 O-5 O-17 O-40 R-8
Descrição Arruela quadrada38 mm Isolador depino polimérico Isolador de ancoragem polimérico Grampo de ancoragem Alça pré-formada para cabo mensageiro Porca quadrada Capaprotetora para conector - 15kV Cabo coberto 15 kV - 35 mm2 Conector Cabo de aço SM 9,5 mm Fio de cobre nu 16 mm2 Pára-raios Chave de facaunipolar Chavefusível Cinta Braço suporte tipo L Braço suporte tipo C Suporte auxiliar Parafuso cabeça abaulada - 16x 45 mm Parafuso cabeça abaulada- 16 x 150 mm Parafuso cabeça abaulada - 12x 40 mm Mão francesa plana Olhal para parafuso Sapatilha Manilha sapatilha Haste de terra aço-cobre Parafuso cabeça quadrada- 16 x TA Parafuso cabeçaquadrada - 16 x 125 mm Sela de cruzeta Suporte Z Poste Conector tipo cunha Conector terminal cabo-barra para aterramento Conector de aterramento Conector terminal compressão barra-cabo Cruzeta de madeira 2.400 mm
87
ANEXO D
Seqüência de Fases nos Espaçadores
88
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] ABRADEE. Disponível em: Acesso em: 25 de fevereiro de 2007. [2] LAMARÃO, SERGIO T. N. A energia elétrica como campo de pesquisa historiográfica do Brasil. Disponível em: . Acesso em10 de maio de 2007. [3] PIAZZA, FERNANDO et al. Fatores de influência na compatibilidade de cabos protegidos, isoladores e acessórios utilizados em redes aéreas compactas de distribuição de energia elétrica, sob condições de multi-estressamento. Disponível em: . Acesso em: 21 de novembro de 2006. [4] CICARELLI, LILIANE D. et al. Linhas Protegidas Cabo-espaçador para 69 kV. In: SEMINÁRIO NACIONAL DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA BELO HORIZONTE/MG, 17, 2006, Belo Horizonte, p. 1-12. [5] PIAZZA, FERNANDO et al. Acompanhamento comparativo entre ensaios de laboratório e desempenho de campo de materiais poliméricos de redes compactas protegidas de distribuição de 13,8KV. In: ENCONTRO LUSO-AFRO-BRASILEIRO DE PLANEJAMENTO E EXPLORAÇÃO DE REDES DE ENERGIA, 4, p. 1-6. [6] Polimerização. Disponível em: Acesso em: 25 de fevereiro de 2007. [7] Normas, Padrões e Especificações para Fornecedores : Padrão de Distribuição PD 4.009 – Redes de Distribuição Aérea Protegida Compacta (Rede Compacta – Spacer Cable). Disponível em: < http://www.bandeirante.com.br/default.asp?Sec=4&SubSec=6>. Acesso em: 21 de novembro de 2006. [8] ANEEL: Legislação Básica do Setor Elétrico Brasileiro. RESOLUÇÃO ANEEL N° 24, DE 27 DE J ANEIRO DE 2000. [9] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Redes de distribuição aérea urbana de energia elétrica - apresentação: NBR 5434:1982. Rio de Janeiro: ABNT, 1982. [10] VELASCO, D. N. G et al. Análise comparativa dos custos de diferentes redes de energia elétrica no contexto da arborização urbana. Disponível em: . Acesso em: 21 denovembro de 2006. [11] GUIA DE ARBORIZAÇÃO URBANA. Diretoria de Gestão de Ativos. Departamento de Planejamento dos Investimentos. Unidade deMeio Ambiente. Bahia: COELBA, 2002.
