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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
Trabalho acadêmico para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista, da aluna Adelayne Grippa Segatto, apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito 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
Figura 1 - 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 Compacta Protegida .................................................. 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 Rede Convencional em situação de alto risco de falha ................ 24
Figura 17 - Foto de um área congestionada com 5 circuitos alimentadores ........................ 24
Figura 18 - Instalação da Rede Aérea Compacta Protegida ................................................ 25
Figura 19 - Detalhe do espaçador com trilhamento elétrico ................................................ 28
Figura 20 - Locais com as 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
com o 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 da Linha Compacta Protegida de 69 kV ......................................... 43
Figura 29 - Principais componentes da Linha Compacta Protegida de 69 kV .................... 44
Figura 30 - Camadas do cabo condutor coberto para 69 kV ............................................... 44
Figura 31 - Cotas do espaçador para Linha Compacta de 69 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 a ser substituída está marcada em verde) 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 - Rede Protegida de 11,4 kV e Rede de Baixa Tensão........................................ 63
Figura 43 - Esforços dos cabos da BT e MT; e resultante no poste P3 ............................... 63
Figura 44 - Foto do ponto de entrega no poste P23 ............................................................. 67
6
Figura 45 - Queda de tensão em percentual 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
1.1 Desenvolvimento ......................................................................................................... 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
2.1 Vantagens .................................................................................................................... 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
2.2 Desvantagens ............................................................................................................... 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
3.1 Polímero ...................................................................................................................... 33
3.2 Propriedade dos polímeros usados na rede elétrica ..................................................... 34
3.3 Polímeros 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
4.1 Método 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
5.1 Linha Compacta Protegida de 69 kV ........................................................................... 43
5.1.1 Descrição do sistema ..................................................................................... 43
5.1.2 Especificações básicas dos componentes ...................................................... 44
5.2 Vantagens .................................................................................................................... 47
5.3 Análise de custos ......................................................................................................... 48
5.4 Análise 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
6.1 Objetivo ....................................................................................................................... 50
6.2 Justificativa .................................................................................................................. 51
6.3 Condições gerais .......................................................................................................... 54
6.4 Padrões utilizados ........................................................................................................ 55
6.5 Levantamento de dados ............................................................................................... 55
6.6 Descrição 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 de carga ............................................................................... 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 ABRADEE1, 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.
Além das altas taxas de falhas, a Rede Convencional tem um 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 Rede Aérea 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 em 15 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 COPEL2 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 polietileno3
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 - Companhia Paranaense de Energia. 3 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.
Figura 4 - Aplicabilidade do separador vertical em situação de cruzamento da Rede Compacta
Separador
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].
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].
Figura 7 - Anel de amarração
15 kV
25 kV
35 kV
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 Aérea Compacta 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 curto-
circuitos 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 Rede Protegida
Causa 2001 2002 2003 Total Média anual 2005 2006 Total Média
anual Redução de ocorrências
Pipa 7 8 19 34 11,33 2 2 1 91,2% Deterioração de Material 2 2 0,67 1 1 2 1 -50,0% Falha Humana 2 2 0,67 0 0 100,0% Objeto na Rede 1 1 0,33 0 0 100,0% Árvore 1 1 0,33 0 0 100,0% Causa Ignorada 1 4 2 7 2,33 0 0 100,0% Abalroamento 1 1 2 0,67 0 0 100,0% Temporal 1 4 5 1,67 2 2 4 2 -20,0% Animal 1 1 0,33 0 0 100,0% TOTAL 14 14 27 55 18,33 5 3 8 4 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.
Além disso, outros fatores como a presença de espaçadores e separadores permitem aplicar
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.
2.1.2.1 Poda 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.
Figura 13 - Comparação da área de poda numa Rede Convencional com uma Rede Compacta
Rede Convencional 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.
Figura 15 - Foto onde mostra a Rede Compacta convivendo harmoniosamente com a arborização
Rede Compacta
24
2.1.2.2 Animais
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 área congestionada, 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 custo-
benefício 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 e da Rede Compacta
26
Custo de
Implantação7 (R$/Km)
Custo da Manutenção Preventiva8
(R$/Km*ano)
Custo da Manutenção Corretiva9
(R$/Km*ano)
Custo de Poda
Anual10 R$/ano Com
Arborização Sem
Arborização
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 de uma rede primária com bitola 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 - Locais 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 distância entre os cabos e os espaçadores, de maneira que não comprometa 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 cabo deve ser feita de tal forma que liga pouca área de contato do
cabo com o dispositivo de amarração;
33
• A geometria dos espaçadores e isoladores não promova a formação de vórtices, 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 geometria dos espaçadores, isoladores e acessórios de fixação afeta a distribuição 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 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 como o diamante (as cadeias de carbono formam uma rede
tridimensional que dá ao material sua resistência), o quartzo e o feldspato;
• Os materiais criados pelo homem, como concreto, vidro, papel, plástico, PVC, o
Nylon, acrílico e borrachas.
Alguns polímeros naturais, como as proteínas, são compostos de um só tipo de monômero,
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 em que representam um custo bem menor.
3.2 PROPRIEDADE DOS POLÍMEROS USADOS NA REDE ELÉTRICA
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 a 90ºC (XLPE) a rede será mais econômica para a mesma
capacidade em relação aos condutores operando a 70ºC (PVC), embora nesse aspecto 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 retardantes de chama consumidos no mundo. As principais vantagens do 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.
Aditivos que retardam o envelhecimento são de grande importância 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 POLÍMEROS EMPREGADOS EM MATERIAIS 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 aplicação em isolamento elétrico. Apresenta uma boa resistência à radiação
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.
• LDPE - polietileno de baixa densidade é um termoplástico semicristalino, 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
LDPE é manufaturado por processo de polimerização via radicais livres
(poliadição) [14].
• XLPE - polietileno reticulado exibe uma estrutura semicristalina similar à do
LDPE. Ele é geralmente obtido a partir do LDPE por reticulação (formação de
ligações covalentes entre as macromoléculas), também conhecida na indústria de
plásticos como cura ou endurecimento. O produto final apresenta propriedades
mecânicas, e térmicas superiores ao LDPE sem grandes alterações nas 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 metil-
silicones 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
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
(a) (b) (c) (d)
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:
• 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.
4 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 Investimento 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
4.1.3.1 O Mp corresponde ao 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).
4.1.3.2 O 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
4.1.4.1 O 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
confiabilidade de serviço 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.
4.1.4.2 O 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.
4.1.4.3 A DPR corresponde à depreciação da rede de distribuição.
As concessionárias consideram um período de depreciação de 20 anos para o sistema de
transmissão e distribuição, conforme é regido 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 Linha Compacta 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 (HMWPE13) 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 tem grande 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)
Diâmetro do Cabo14
(mm)
Carga de Ruptura
(daN)
Ampacidade15 (A)
Resistência Elétrica CC
(Ω/km)
170,5 19 15,3 41,7 2695 435 0,169 281,8 19 19,8 46,2 4280 610 0,1023 322,2 37 21,2 17,6 5100 680 0,0895 402,9 37 24 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 e flexibilidade 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 Espessura total da cobertura de polietileno de 13,2 mm. 15 Ampacidade para 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)
Altura (mm)
Distância Mín. de
Escoamento (mm)
Diâmetro Máx. (mm)
Massa(kg)
Tensão Suportável de Impulso
(kV)
Capacidade de Curto Circuito
(kA) BN NA BC AC
Men
sage
iro
Con
duto
r
1433 921 660 660 1450 2035 19 57,2 6 350 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. Apresentam um bastão de fibra de vidro,
saias de silicone ou EPDM, engates de aço 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 tem 1,50 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 e órgãos 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 Linha Convencional 69 kV (R$)
Linha Compacta 69 kV (R$)
Materiais - Extensão de 2,9 Km 2 Linhas Paralelas 2 Linhas Paralelas Cabos e acessórios Condutores, CA 281,8 mm² 132.153,66 790.968,81 Isoladores / espaçadores 204.451,35 301.806,87 Cabo mensageiro 39.071,82 Conexões e ferragens 133.826,13 410.848,32 Postes 143.508,72 71.754,36 Subtotais Materiais 613.939,83 1.614.450,18 Construção 83.394,72 239.408,82 Custos Administrativos - 12,2% 96.895,68 Subtotais 180.290,40 239.408,82 Total 794.230,23 1.853.859,00 Total (R$/km*nº linhas) 136.936,25 319.630,86 Comparativo entre a Linha Convencional e a Compacta 100% 233,42%
Fonte: ProCABLE Energia e Telecomunicações Ltda, 2006 [4].
Tabela 6 - Custo operacional da Linha Convencional x Linha Compacta, para a tensão de 69 kV
Descrição Linha Convencional
69 kV (R$/km*nº linhas)
Linha Compacta 69 kV
(R$/km*nº linhas)
Redução em usar a Linha Compacta
Manutenção Preventiva 6.371,79 685,09 89,25% Manutenção Corretiva 2.075,40 626,02 69,84%
Total 8.447,19 1.311,11 84,48%
Fonte: ProCABLE Energia e Telecomunicações Ltda, 2006 [4]
Tabela 7 - Custo de Energia não distribuída da Linha Convencional x Linha Compacta Protegida, para a tensão de 69 kV
Descrição Linha Convencional
69 kV (R$/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)
Linha Compacta 69 kV
(R$/km*nº linhas)
Redução em usar a Linha Compacta
Investimento Inicial (Ii) 136.936,25 319.630,86 -133,42% Custo Operacional (Co) 8.447,19 1.311,11 84,48%
Energia não Distribuída (End) 34.264,46 6.416,46 81,27% FVA 9,08 9,08 0
Total: Ii + FVA (Co + End) 524.758,03 389.797,23 25,72%
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
Linha Convencional, justificando plenamente a sua aplicação.
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 apresentam várias 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 em poucos
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.
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.
Bairro: Mata da Praia, Vitória, ES
Av. Dante Michelini
Av. Adalberto Simão Nader
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 Rede tangente com ângulo até 6° CE2 Rede tangente com ângulo entre 6° e 60°. CE3 Final de rede CE4 Rede tangente com ângulo entre 60° e 90° CE-CF Estrutura para comportar Chave Fusível CE-CS 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 Estrutura Equipamento Desinstalar Instalar
P1 Chave Faca P2 CE-M3 CE1 P3 M3+M3 CE4 P4 N3 CE3 P5 M1 CE2 Transformador P6 M3 CE3 P7 M1 CE1 P8 M2 CE2 Transformador P9 M2 CE3
P10 M3 CE-CF Chave Faca P11 M3 CE3 Transformador P12 M1 CE1 P13 M1 CE1 P14 M3 CE3 P15 M1 CE1 P16 M3 CE3 Transformador P17 M1 CE1 P18 M2 CE2 Transformador P19 M2 CE3 Transformador P20 M2 CE-CF Chave Faca P21 M3 CE3 Transformador P22 M1 CE1 P23 M2 CE2 Ponte de Entrega P24 M3 CE-CF Chave Faca P25 M1 CE2 Transformador P26 M1 CE2 Ponte de Entrega P27 M2 CE3 Ponte de Entrega P28 M3 CE-CF Chave Faca P29 M1 CE1 P30 M1 CE2 Ponte de Entrega P31 M4 CE2 Banco de Capacitores P32 M4 CE4 P33 N3 CE-CS Chave Fusível P34 N2 CE3 Ponte de Entrega P35 N3 CE2 Ponte de Entrega P36 M1 CE2 Ponte de Entrega
Tabela 11 - Total de estruturas a desinstalar (Rede Nua) e a instalar (Rede Compacta) Desinstalar Instalar
Estrutura Total Estrutura Total M1 12 CE1 8 M2 7 CE2 10 M3 10 CE3 10 M4 2 CE4 2 N3 3 CE-CF 4 N2 1 CE-CS 1
CE-M3 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
Vão Distância (m)
Cabos Desinstalar16
(AWG) Instalar (mm²)
P1-P2 28,9 1/0 185 P2-P3 35 1/0 185 P3-P5 37,8 1/0 185 P5-P6 31,7 1/0 185 P4-P7 15,6 1/0 185 P7-P8 40,9 1/0 185 P8-P12 36,2 1/0 185 P9-P10 33,8 1/0 50
P11-P10 39,2 2 50 P12-P13 33,1 1/0 185 P13-P17 31,7 1/0 185 P14-P15 52,77 1/0 50 P16-P15 38,05 2 50 P17-P18 33,15 1/0 185 P18-P36 34,7 1/0 185 P21-P22 22,4 2 50 P22-P23 26,5 2 50 P23-P20 39,7 2 50 P20-P24 42,4 1/0 50 P24-P25 28,2 2 50 P25-P26 31 2 50 P26-P27 36,2 2 50 P19-P28 20,2 2 50 P28-P29 26,7 2 50 P29-P35 40 2 50 P35-P34 45,4 2 50 P36-P30 33,6 1/0 185 P30-P31 36,5 1/0 185 P31-P32 35,9 1/0 185 P32-P33 20,4 1/0 185
16 Os cabos tipo 2 AWG têm 33,63 mm², enquanto que os de 1/0 AWG têm 53,50mm²
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 Instalar
Cabo14
(AWG) Total (m)
Cabo (mm²)
Total(m)
1/0 614,12 185 485,15 2 393,55 50 522,52
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 que os cabos analisados exercem a 20 cm do topo do poste.
Tabela 15 - Esforços resultantes em cada poste do bloco
Poste Tipo
Altura(m)/ resistência(daN)
Equipamento Esforço (daN)
Poste a Instalar
P1 11/300 Chave Faca 0 P2 11/300 0 P3 11/1000 1238 11/1500 P4 11/1000 995 P5 11/300 Transformador 0 P6 11/1000 645 P7 11/300 17 P8 11/300 Transformador 0 P9 11/600 350
P10 11/300 Chave Fusível 0 P11 11/600 Transformador 350 P12 11/300 0 P13 11/300 0 P14 11/600 350 P15 11/300 0 P16 11/600 Transformador 350 P17 11/300 0 P18 11/300 Transformador 0 P19 11/600 Transformador 350 P20 11/300 Chave Fusível 0 P21 11/1000 Transformador 745 P22 11/300 0 P23 11/300 Ponte de Entrega 0 P24 11/300 Chave Fusível 0 P25 11/300 Transformador 0 P26 11/300 Ponte de Entrega 0 P27 11/600 Ponte de Entrega 350 P28 11/300 Chave Fusível 0 P29 11/300 0 P30 11/300 Ponte de Entrega 0 P31 11/300 Banco de Capacitores 0 P32 11/1000 740 P33 11/600 Chave Faca 350 P34 11/1000 Ponte de Entrega 745 P35 11/300 Ponte de Entrega 0 P36 11/300 Ponte de Entrega 0
65
Tabela 16 - Esforços causados por cada tipo de cabo do Circuito Primários e Secundário Poste 11m - Esforços a 20cm do topo
Vãos de até 80m
Circuito Cabo Esforços (daN)
Primário P50 350 P185 645
Secundário 70mm² 412 3#1/0 395
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, além dos 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 Equipamentos Potência (kVA) fp Pot. Ativa
(KW) Pot. Reativa
(KVAR) Pot. Complexa
(KVA) P1 Chave Faca P2 P3 P4 P5 Transformador 45 0,93 41,85 16,54 41,85+16,54i P6 P7 P8 Transformador 75 0,93 69,75 27,56 69,75+27,56i P9
P10 Chave Fusível P11 Transformador 75 0,93 69,75 27,56 69,75+27,56i P12 P13 P14 P15 P16 Transformador 45 0,93 41,85 16,54 41,85+16,54i P17 P18 Transformador 75 0,93 69,75 27,56 69,75+27,56i P19 Transformador 150 0,93 139,5 55,13 139,5+55,13i P20 Chave Fusível P21 Transformador 112,50 0,93 104,625 41,35 104,625+41,35iP22 P23 Ponto de Entrega 112,50 0,93 104,625 41,35 104,625+41,35iP24 Chave Fusível P25 Transformador 75 0,93 69,75 27,56 69,75+27,56i P26 Ponto de Entrega 225 0,93 209,25 82,7 209,25+82,7i P27 Ponto de Entrega 187,50 0,93 174,375 68,91 174,375+68,91iP28 Chave Fusível P29 P30 Ponto de Entrega 300 0,93 279 110,26 279+110,26i P31 Banco de Capacitores 600 0,00 0 -600 -600i P32 P33 Chave Faca P34 Ponto de Entrega 300 0,93 279 110,26 279+110,26i P35 Ponto de Entrega 300 0,93 279 110,26 279+110,26i P36 Ponto de Entrega 150 0,93 139,5 55,13 139,5+55,13i
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,
em relação 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)
Coeficiente de queda de 11,4kV [%/(MVA x km)]
fp=1 fp=0,8 fp=0,93 (aplicado)
50 0,41 0,6 0,5335 185 0,16 0,24 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 28,9 P21-P22 22,4 P5-FT1 5,80 P2-P3 35 P22-P23 26,5 FT1-P7 7,40 P3-P5 37,8 P23-P20 39,7 P8-FT2 15,40 P5-P6 31,7 P24-P20 42,4 P10-FT2 20,00 P4-P7 15,6 P25-P24 28,2 FT2-P12 22,10 P7-P8 40,9 P26-P25 31 P13-FT3 18,60
P8-P12 36,2 P27-P26 36,2 P15-FT3 22,20 P9-P10 33,8 P28-P19 20,2 FT3-P17 13,70 P11-P10 39,2 P29-P28 26,7 P18-FT4 21,90 P12-P13 33,1 P35-P29 40 P20-FT4 22,00 P13-P17 31,7 P34-P35 45,4 FT5-FT4 12,60 P14-P15 52,77 P36-P30 33,6 FT4-P36 12,60 P16-P15 38,05 P30-P31 36,5 P24-FT5 9,50 P17-P18 33,15 P31-P32 35,9 P28-FT5 4,60 P18-P36 34,7 P32-P33 20,4 P19-FT5 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 Demanda Máxima
Acumulada (kVA)
Queda de Tensão no Trecho
Queda de Tensão Acumulada na Carga
(%)
Corrente na Carga(A)
P1-P2 0 0,00000% 0,05687% 0,00 P2-P3 0 0,00000% 0,05687% 0,00 P3-P5 0 0,00000% 0,05687% 0,00
P5-FT1 41,85+16,54i 0,00005% 0,05687% 2,28 FT1-P7 41,85+16,54i 0,00006% 0,05682% 2,28 P7-P8 41,85+16,54i 0,00036% 0,05675% 2,28
P8-FT2 116,85+16,54i 0,00035% 0,05640% 5,98 FT2-P12 186,6+44,1i 0,00083% 0,05604% 9,71 P12-P13 186,6+44,1i 0,00124% 0,05521% 9,71 P13-FT3 186,6+44,1i 0,00070% 0,05398% 9,71 FT3-P17 228,45+60,64i 0,00063% 0,05328% 11,97 P17-P18 228,45+60,64i 0,00153% 0,05265% 11,97 P18-FT4 303,45+60,64i 0,00132% 0,05112% 15,67 FT4-P36 1454,325+515,46i 0,00379% 0,04980% 78,14 P36-P30 1604,325+515,46i 0,01104% 0,04601% 85,34 P30-P31 1904,325+515,46i 0,01404% 0,03497% 99,91 P31-P32 1904,325-84,54i 0,01334% 0,02093% 96,54 P32-P33 1904,325-84,54i 0,00758% 0,00758% 96,54
Fly Tap 2 - Ramal 50mm²
Carga-Fonte Demanda Máxima
Acumulada (kVA)
Queda de Tensão noTrecho
Queda de Tensão Acumulada na Carga
(%)
Corrente na Carga(A)
P11-P10 69,75+27,56i 0,00172% 0,05864% 3,80 P10-FT2 69,75+27,56i 0,00088% 0,05692% 3,80
Fly Tap 3 - Ramal 50mm²
Carga-Fonte Demanda Máxima
Acumulada (kVA)
Queda de Tensão no Trecho
Queda de Tensão Acumulada na Carga
(%)
Corrente na Carga(A)
P16-P15[ 41,85+16,54i 0,00100% 0,05487% 2,28 P15-FT3 41,85+16,54i 0,00058% 0,0539% 2,28
Fly Tap 4 - Ramal 50mm²
Carga-Fonte Demanda Máxima
Acumulada (kVA)
Queda de Tensão no Trecho
Queda de Tensão Acumulada na Carga
(%)
Corrente na Carga(A)
P21-P22 104,625+41,35i 0,00147% 0,06114% 5,70 P22-P23 104,625+41,35i 0,00174% 0,05967% 5,70 P23-P20 209,25+82,7i 0,00523% 0,05792% 11,40 P20-FT4 209,25+82,7i 0,00290% 0,05270% 11,40 P27-P26 174,375+68,91i 0,00397% 0,08113% 9,50 P26-P25 383,625+151,61i 0,00748% 0,07715% 20,89 P25-P24 453,375+179,17i 0,00804% 0,06967% 24,69 P24-FT5 453,375+179,17i 0,00271% 0,06163% 24,69 P34-P35 279+110,26i 0,00797% 0,09192% 15,19 P35-P29 558+220,52i 0,01404% 0,08395% 30,39 P29-P28 558+220,52i 0,00937% 0,06991% 30,39 P28-FT5 558+220,52i 0,00161% 0,06054% 30,39 P19-FT5 139,5+55,13i 0,00123% 0,06015% 7,60 FT5-FT4 1150,875+454,82i 0,00912% 0,05892% 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 FT5-
FT4) 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
50 217 4285 185 475 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 multi-
estressamento, 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 mm2 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 nem trocadas 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 com 1,972 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 Descrição A-1 Espaçador de fases losangular A-2 Braço anti-balanço A-3 Isolador de pino polimérico A-4 Isolador de ancoragem polimérico A-8 Grampo de ancoragem A-9 Alça pré-formada para cabo mensageiro
A-35 Capa protetora para conector - 15 kV C-4 Cabo de aço SM 9,5 mm C-6 Fio de cobre nu 16 mm2 C-12 Fio coberto ou anel de amarração E-2 Pára-raios F-1 Cinta F-2 Braço suporte tipo L F-3 Braço suporte tipo C F-4 Suporte auxiliar F-5 Parafuso cabeça abaulada - 16 x 45 mm F-6 Parafuso cabeça abaulada - 12 x 40 mm F-10 Pino curto de isolador F-11 Olhal para parafuso F-12 Sapatilha F-13 Manilha sapatilha F-16 Estribo para braço tipo L F-17 Haste de terra aço-cobre F-30 Parafuso cabeça quadrada - 16 x TA F-30a Parafuso cabeça quadrada - 16 x 125 mm F-50 Suporte Z P-1 Poste O-1 Conector tipo cunha O-2 Conector terminal barra-cabo
O-17 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 Descrição A-2 Arruela quadrada 38 mm A-3 Isolador de pino polimérico A-4 Isolador de ancoragem polimérico A-8 Grampo de ancoragem A-9 Alça pré-formada para cabo mensageiro
A-21 Porca quadrada A-35 Capa protetora para conector - 15 kV C-1 Cabo coberto 15 kV - 35 mm2 C-3 Conector C-4 Cabo de aço SM 9,5 mm C-6 Fio de cobre nu 16 mm2 E-2 Pára-raios E-3 Chave de faca unipolar E-9 Chave fusível F-1 Cinta F-2 Braço suporte tipo L F-3 Braço suporte tipo C F-4 Suporte auxiliar F-5 Parafuso cabeça abaulada - 16 x 45 mm F-5c Parafuso cabeça abaulada - 16 x 150 mm F-6 Parafuso cabeça abaulada - 12 x 40 mm F-9 Mão francesa plana F-11 Olhal para parafuso F-12 Sapatilha F-13 Manilha sapatilha F-17 Haste de terra aço-cobre F-30 Parafuso cabeça quadrada - 16 x TA F-30a Parafuso cabeça quadrada - 16 x 125 mm F-45 Sela de cruzeta F-50 Suporte Z P-1 Poste O-1 Conector tipo cunha O-5 Conector terminal cabo-barra para aterramento
O-17 Conector de aterramento O-40 Conector terminal compressão barra-cabo R-8 Cruzeta de madeira 2.400 mm
87
ANEXO D
Seqüência de Fases nos Espaçadores
88
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] ABRADEE. Disponível em:
<http://www.abradee.org.br> Acesso em: 25 de fevereiro de 2007.
[2] LAMARÃO, SERGIO T. N. A energia elétrica como campo de pesquisa historiográfica do Brasil. Disponível em: <http://www.institutomora.edu.mx/revistas/Numero%208/8-3-SegioT_deNiemeyerL.pdf>. Acesso em 10 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: <http://www.lactec.org.br/OInstituto/downloads/Biblioteca/2003/17_2003_Citenel_Fatores_influencia_compat.pdf>. 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:
< http://www.wikipedia.org.br> 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 JANEIRO 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: < http://www.scielo.br/pdf/rarv/v30n4/31690.pdf>. Acesso em: 21 de novembro de 2006. [11] GUIA DE ARBORIZAÇÃO URBANA. Diretoria de Gestão de Ativos. Departamento de Planejamento dos Investimentos. Unidade de Meio Ambiente. Bahia: COELBA, 2002.
89
[12] Hendrix Wire & Cable, Inc. SPACER CABLE SYSTEMS – BENEFITS. A1 [13] PIAZZA, FERNANDO et al. Avaliação da geometria dos acessórios de redes protegidas de distribuição considerando solicitações devido ao campo elétrico e ambientais. In: SEMINÁRIO NACIONAL DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, 15, 2002, p. 1-4. [14] GULMINE, JOSEANE V. Processos de Envelhecimento e Correlações Estrutura - Propriedades do XLPE. Tese (Doutorado em Engenharia) - Universidade Federal do Paraná, 2004, Curitiba, p. 1-108.
[15] INS-PRO-11: Projetos para Redes de Distribuição Aéreas Urbanas;
[16] PT.RD.06.002: Estruturas para Redes Compactas Protegidas;
[17] INS-CON-14: Estruturas para Redes de Distribuição Aéreas Primárias Compactas
Protegidas.
