UNIJUÍ UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 0 UNIJUÍ UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ADRIANO FINK VIABILIDADE DAS REDES COMPACTAS PROTEGIDAS NA DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO IJUÍ, RS 2013

2 1 ADRIANO FINK VIABILIDADE DAS REDES COMPACTAS PROTEGIDAS NA DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Colegiado de Coordenação do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UNIJUÍ, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. ORIENTADOR: Profº. Mário Noronha Agert IJUÍ, RS 2013

3 2 AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeço a Deus por me proporcionar oportunidades, me guiar, e dar forças para alcançar meus objetivos. Aos meus pais Doalcir Fink e Vera Regina Bordim Fink, pelo incentivo e apoio na busca de meus ideais e objetivos. Aos colegas, amigos e companheiros de profissão, pela compreensão colaboração durante a duração do curso. Aos os meus professores, pelo apoio, ensinamentos e participação ao longo desta jornada.

4 3 RESUMO As concessionárias de energia elétrica enfrentam grandes problemas em seus sistemas de distribuição de energia elétrica, devido a forte pressão exercida pelo órgão regulador do setor elétrico, ANEEL, que vem exigindo maior confiabilidade e qualidade nos serviços prestados, e por órgãos ambientais que exigem redução dos impactos ambientais causados pelas redes elétricas. Em virtude deste cenário, o trabalho apresenta a topologia de rede aérea compacta protegida, sendo esta uma solução amplamente difundida pelas concessionárias de energia. O trabalho apresenta as principais aplicações, vantagens e desvantagens no que se refere à aspectos técnicos, ambientais e econômicos quando comparada a topologia de rede aérea convencional. Posteriormente é realizado um estudo de viabilidade econômica da implantação da topologia de rede aérea compacta protegida comparada com a topologia de rede aérea convencional. Este estudo foi realizado através do levantamento de dados junto à concessionárias de energia elétrica e bibliografias. Os custos totais considerando o período de vida útil da rede são estimados. Palavras Chave: Rede Aérea Compacta Protegida, Distribuição de Energia, Viabilidade Econômica.

5 4 ABSTRACT The Dealerships of electric energy face big problems in their systems of distribution of electric energy, due to the strong pressure exercised by the regulator organ of the electric sector, ANEEL, that has been requiring more reliability and quality in provided services, and by environmental organs that demands reduction of environmental impacts caused by electric networks. Due to this scenario, the work presents the topology of compact air network protected, this being a solution broadly widespread by the dealerships of energy. The work presents the main applications, vantages and disadvantages with respect to technical aspects, environmental and economical when compared to the topology of the air conventional network. Posteriorly is carried out a viability economic study of the implantation of the topology of the compact air network protected compared to the topology of the air conventional network. This study has been carried out through the lifting of dice together with the dealerships of electric energy and bibliographies. The total costs considering the period of helpful life of the network are estimated. Key Words: Compact Air Network Protected, Distribution of Energy, Economic Viability.

6 5 ABREVIATURAS ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica. CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais. COPEL Companhia Paranaense de Energia. DDP Diferença de Potencial. DEC Duração Equivalente de Interrupção no Fornecimento de Energia por Unidade Consumidora. DEMEI Departamento Municipal de Energia Elétrica de Ijuí. DIC Duração Individual de Interrupção no Fornecimento de Energia Elétrica por Unidade Consumidora. DPR Depreciação. EPR Epropene Reticulado. ESCELSA Espírito Santo Centrais Hidrelétricas S.A. EUA Estados Unidos da América. FEC Frequência Equivalente de Interrupção no Fornecimento de Energia Elétrica por Unidade Consumidora. FIC Frequência Individual de Interrupção no Fornecimento de Energia Elétrica por Unidade Consumidora. HDPE Polietileno Alta Densidade. IGPDI Índice Geral de Preço Disponibilidade Interna. IGPM Índice Geral de Preços do Mercado. INCC Índice Nacional de Custo de Construção. IPA Índice de Preço de Atacado. IPC Índice de Preço ao Consumidor. LC Lucro Cessante. MC Manutenção Corretiva. MP Manutenção Preventiva. MT Média Tensão. NBR Norma Brasileira. PET Tomografia por Emissão de Pósitrons. PRODIST Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional.

7 6 RDA Rede Aérea de Distribuição de Energia Elétrica Convencional. RDP Rede Aérea de Distribuição de Energia Elétrica Compacta Protegida. RES Ressarcimentos a Consumidores. RF Rádio Free. RGE Rio Grande Energia Distribuidora de Energia Elétrica. RIV Rádio Interference Voltage. RSI Rede Aérea de Distribuição de Energia Elétrica com Secundário Isolado. SIR Borracha de Silicone. SPDA Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas. VPL Valor Presente Líquido. XLPE Polietileno Reticulado.

8 7 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Saída de subestação com rede Compacta Protegida Figura 2: Dois circuitos de MT instalados em mesmo poste Figura 3: Rede compacta protegida em local arborizado Figura 4: Rede compacta protegida instalada em calçada estreita, próxima a Edificação Figura 5: Posição do mensageiro em relação aos condutores fase da rede aérea compacta protegida Figura 6: Pássaros em Rede Elétrica Figura 7: Poda sob rede de distribuição de energia convencional Figura 8: Área de poda em rede nua, protegida e isolada Figura 9: Convivência entre árvores e redes compactas protegidas Figura 10: Quatro circuitos de media tensão instalados em mesmo poste Figura 11: Gráfico comparativo da queda de tensão em redes de distribuição Figura 12: Gráfico comparativo econômico das topologias de redes aéreas de distribuição de energia elétrica Figura 13: Trilhamento elétrico em local de contato entre condutor e espaçador Figura 14: Detalhe de erosão ocorrida em função do trilhamento elétrico Figura 15: Gráfico comparativo de custos de operação anual Figura 16: Gráfico comparativo de custos entre rede convencional e compacta protegida... 48

9 8 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Redução do número de falhas após substituição da rede de distribuição de energia elétrica convencional por compacta protegida Tabela 2: Custo médio de implantação de rede primaria de distribuição de energia elétrica convencional e compacta protegida, segundo (RGE/RS), Tabela 3: Custo médio de implantação de rede de distribuição de energia elétrica convencional, (DEMEI, RS), Tabela 4: Custos com manutenção preventiva em rede de distribuição de energia elétrica Tabela 5: Parcela de custo com manutenção preventiva referente à podas de árvores Tabela 6: Custos relativos à poda de arvores sob rede de distribuição de energia elétrica convencional, DEMEI, Tabela 7: Custo relativo à poda em rede compacta protegida Tabela 8: Custo anual com manutenção corretiva em redes aéreas Tabela 9: Lucro Cessante anual em redes de distribuição de energia elétrica Tabela 10: Custo da concessionária DEMEI referente a ressarcimentos a consumidores no ano de Tabela 11: Custo aproximado de ressarcimentos em rede aérea compacta protegida Tabela 12: Custo social das redes de distribuição de energia elétrica Tabela 13: Custo operacional de redes de distribuição de energia elétrica MT para o período de 25 anos Tabela 14: Comparativo de custos das redes aéreas convencionais e compactas para o período de operação de 25 anos... 48

10 9 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos JUSTIFICATIVA METODOLOGIA A HISTÓRIA DA REDE AÉREA COMPACTA PROTEGIDA HISTÓRIA DA REDE COMPACTA NO BRASIL PRINCIPAIS APLICAÇÕES DE REDES COMPACTAS PROTEGIDAS VANTAGENS X DESVANTAGENS DA REDE AÉREA COMPACTA PROTEGIDA VANTAGENS Confiabilidade no Fornecimento de Energia Elétrica Meio Ambiente Fauna Flora Faixa de Servidão Quebra de Tensão Exposição ao Perigo Instalação Fator Econômico DESVANTAGENS DA REDE COMPACTA PROTEGIDA Multi Estressamento Tracking Aspectos Construtivos ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DAS REDES COMPACTAS PROTEGIDAS LEVANTAMENTOS DE CUSTOS Custo de Implantação Custos Operacionais Manutenção Preventiva Manutenção Corretiva Lucro Cessante Ressarcimento Depreciação CUSTO SOCIAL CUSTO GLOBAL CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 51

11 10 1 INTRODUÇÃO A partir da Revolução Industrial, as inovações tecnológicas foram ocorrendo com rapidez. Com isso, a energia elétrica se tornou um bem indispensável que vem proporcionando parte do conforto e lazer disponível à população, sendo utilizada de forma cada vez mais eficaz no cotidiano, de maneira que se mostra bastante perceptível quando ocorre sua interrupção, causando prejuízos econômicos à população. Poder-se-ia dizer que a energia é fator propulsor da economia, sendo que por intermédio dela são facilitadas e otimizadas as produções em fábricas, além de inúmeros benefícios na forma de eletrodomésticos, ferramentas que estão cada vez mais contribuindo para o bem-estar do homem. Dentre os benefícios da energia pode-se citar como exemplo a área da medicina, em que houve grandes avanços com o auxílio da eletricidade, como as imagens por ultra-som, tomografia computadorizada, tomografia por emissão de pósitrons (PET) e ressonância magnética, facilitando e contribuindo para a saúde da população. Em se tratando da falta de energia, pode-se dizer que para consumidores residenciais os danos causados são de menor escala. Porém, para os consumidores industriais, qualquer interrupção neste fornecimento é vista como prejuízo financeiro, uma vez que seu processo produtivo depende da energia elétrica. Sendo assim, os órgãos reguladores do sistema elétrico nacional, estão exigindo cada vez mais que as concessionárias distribuidoras de energia elétrica sigam as regulamentações dos padrões de qualidade e confiabilidade no fornecimento de energia elétrica. Todavia, a realidade em que se encontram algumas redes elétricas de distribuição é problemática, disputando espaços com a arborização de grande porte que interferem no funcionamento da rede elétrica. A poda dos galhos e o plantio de arbustos de pequeno porte seria uma opção para melhoria, porém isto só ocorre quando o problema já está instaurado. Contudo, cabe ressaltar que podas excessivas causam insatisfação em uma população cada vez mais preocupada com o meio ambiente. Uma solução viável para este problema seria a construção de planos de arborização realizados em

12 11 conjunto (Secretaria do Meio Ambiente e concessionária de energia elétrica) que sejam efetivamente cumpridos e fiscalizados. Em virtude de o sistema elétrico estar exposto às intempéries, a contatos acidentais com arborização e objetos estranhos a rede, as concessionárias registram altos custos com manutenções de rede, prejuízos por energia não distribuída e eventuais ressarcimentos a consumidores. Além disso, sofre prejuízos sociais relativos ao desgaste da sua imagem perante os consumidores. Dessa forma, a concepção de rede compacta protegida é uma solução, com tecnologia avançada que possibilita melhorar o nível de qualidade da energia que será distribuída aos clientes. Por seu design compacto e cabos protegidos por material polimérico o espaço necessário entre rede e arborização é reduzido, garantindo, assim, que o fornecimento de energia se torne mais confiável e com menor impacto ao meio ambiente. Com o intuito de melhorar a confiabilidade e a qualidade da distribuição de energia, bem como a redução dos impactos ambientais e custos com manutenções, as concessionárias vêm investindo em estudo e implantação de tecnologias mais modernas, como a rede compacta protegida, que é o tema deste trabalho. O presente trabalho é constituído de quatro capítulos: o primeiro capítulo apresenta a proposta da pesquisa; o segundo capítulo irá apresentar a história da rede aérea compacta protegida; o terceiro capítulo apresenta as vantagens e desvantagens na utilização de redes compactas protegidas; o quarto capítulo apresenta a análise da viabilidade econômica na implantação de uma rede compacta protegida e, por fim, as conclusões sobre o estudo são apresentadas. 1.1 OBJETIVOS Objetivo Geral Os sistemas de distribuição de energia elétrica estão em processo de avanço tecnológico, tendo em vista que os órgãos reguladores estão propondo forçosamente esta condição, através de controle de qualidade e confiabilidade rigoroso. Conforme está previsto na resolução da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), o procedimento de distribuição de energia elétrica no sistema elétrico

13 12 nacional PRODIST, cujo objetivo é normatizar e padronizar as atividades técnicas relacionadas ao funcionamento e ao desempenho dos sistemas de distribuição de energia elétrica é composto por nove módulos. Conforme ANEEL [1], a Resolução Normativa n.º 414/2010 estabelece as Condições Gerais de Fornecimento de Energia Elétrica de forma atualizada e consolidada. Porém, a Resolução Normativa n.º 499/2012, de 3 de julho de 2012, aprova o Módulo 9 do PRODIST, referente à ressarcimento de danos elétricos, e altera a Resolução Normativa n.º 414, de 9 de setembro de Tendo em vista que as concessionárias de energia elétrica estão em busca de novas tecnologias que atendam as regulamentações do setor e tragam benefícios próprios, este trabalho busca apresentar a topologia de rede aérea compacta protegida como uma alternativa para melhoria no sistema de distribuição, amenizando insatisfações da população para com as concessionárias de energia Objetivos Específicos - Apresentar as principais vantagens, desvantagens e aplicações da rede aérea compacta protegida. - Realizar estudo de viabilidade econômica de uma rede aérea compacta protegida. 1.2 JUSTIFICATIVA O consumidor passou a ser cada vez mais exigente, e as concessionárias, para se adequarem aos parâmetros de conformidade, devem realizar atendimento ao consumidor dando continuidade ao fornecimento de energia elétrica, e como condição ideal é que não deva ocorrer interrupção da energia, caso ocorra, deve ser a mínima possível e que seja devidamente avisada ao consumidor em tempo hábil, para que o mesmo possa prevenir prejuízos decorrentes da falta de energia. Dentre as principais causas de interrupção de energia elétrica destacam-se as intempéries, como por exemplo, vendavais, chuvas, descargas atmosféricas, causas estas, que não são controláveis e não se consegue prever, dificultando a intervenção da concessionária.

14 13 Como alternativa para minimizar estes problemas, sugere-se o uso de redes compactas de distribuição de energia elétrica, por ser menos vulnerável às agressões naturais, em função dos condutores que possuem cobertura protetora de material polimérico, cabo de aço zincado para sustentação e proteção, espaçador de material polimérico em formato de losango, entre outros equipamentos, os quais dão maior segurança e confiabilidade ao sistema. Cabe destacar, ainda, que as redes aéreas compactas protegidas causam menor impacto no meio ambiente, tendo em vista que convivem de maneira harmoniosa com a arborização e minimizam os fatores de risco aos seres humanos. Neste sentido, as empresas buscam se enquadrar nas normas e padrões técnicos e assim melhor atender seus consumidores. Para isso, as concessionárias estão investindo de maneira incisiva em tecnologias mais modernas para seus sistemas de distribuição, justificando-se o presente estudo. 1.3 METODOLOGIA A metodologia traduz-se em métodos, técnicas ou procedimentos que, interligados metodicamente entre si, levam ao desenvolvimento do trabalho científico. Para Marconi e Lakatos (2009, p.83) [2]: é o conjunto das atividades sistemática e racionais que, com maior segurança e economia, permite alcançar o objetivo conhecimentos válidos e verdadeiros -, traçando o caminho a ser seguido, detectando erros e auxiliando as decisões do cientista. No que tange ao objetivo deste trabalho, a pesquisa é considerada como uma pesquisa explicativa e bibliográfica. Conforme afirma Gil [3], trata-se de uma pesquisa explicativa, pois essas pesquisas têm como preocupação central identificar os fatores que determinam ou que contribuem para a ocorrência dos fenômenos, isto é, são pesquisas do tipo que explicam a razão e o porquê das coisas. Na pesquisa bibliográfica o investigador é movido pela necessidade de contribuir para fins práticos mais ou menos imediatos, buscando soluções para problemas concretos CERVO e BERVIAN (2002, p.65) [4].

15 14 Conforme Marconi e Lakatos (2001, p.167) [2], o plano de coletas de dados é a etapa da pesquisa onde se inicia a aplicação dos instrumentos elaborados e as técnicas selecionadas, a fim de se efetuar a coleta de dados previstos. A coleta de dados ocorreu em livros e internet para compreender a história da rede aérea compacta protegida. Posteriormente, foi desenvolvida uma pesquisa quantitativa, onde se podem avaliar os pontos positivos e negativos e se chegar a uma conclusão de como utilizar os equipamentos da rede compacta protegida e verificar como está à distribuição brasileira. Para a análise de viabilidade econômica, buscou-se coletar dados sobre as redes de distribuição junto a concessionárias de energia elétrica, com a finalidade de obter resultado fidedigno. Portanto, por meio deste estudo tem-se a finalidade de propor soluções para o problema, agregando conhecimento para a sociedade através do conhecimento adquirido disseminando a todos.

16 15 2 A HISTÓRIA DA REDE AÉREA COMPACTA PROTEGIDA Bill Hendrix desenvolveu um sistema de distribuição de energia que utilizava cabos cobertos e isoladores, o qual batizou de Spacer Cable, conhecido no Brasil como rede aérea compacta protegida. Posteriormente, em 1951, fundou a Hendrix W&C, com a finalidade de fabricar e comercializar a sua invenção. Quando criada, teve como objetivo obter compactação próxima à encontrada nas redes subterrâneas, possibilitando a instalação de mais de um circuito por poste e aumento da confiabilidade e segurança do sistema de distribuição aéreo [5]. A primeira utilização do Spacer Cable se deu em sistemas de distribuição com tensão de 5kV entre linhas. Os cabos tinham finas camadas de material de cobertura e eram separados e sustentados pelos espaçadores confeccionados em acrílico e isoladores de porcelana tipo pino com topo plano. A operação deste sistema teve sucesso. Com a evolução dos sistemas de distribuição de energia nos EUA, por volta de 1954, a tensão das redes de distribuição de energia de 15kV entre linhas se tornaram comuns, o sistema Spacer Cable, para acompanhar tal evolução sofreu pequenas alterações em relação aos que eram utilizadas em tensões de 5kV entre linhas. Foi alterado o tamanho dos espaçadores e houve um incremento de espessura na cobertura dos cabos. O sistema funcionou, porém não com o mesmo desempenho obtido no sistema anterior, pois, o aumento do stress elétrico ocasionado pelo alto nível de tensão aplicado ao condutor combinado com altos valores de correntes de linha causa trilhamento elétrico na superfície da cobertura dos condutores e, consequentemente, sobre os espaçadores, os degradando. Por tal motivo a confiabilidade do sistema não foi satisfatória [6]. Ficou implícita a necessidade de melhoria, para isso desenvolveram-se pesquisas sobre o polietileno estruturado para a utilização na cobertura dos condutores, por sua alta rigidez dielétrica e alto peso molecular. Através de ensaios ficou evidenciada a melhoria nas características mecânicas e elétricas na cobertura, assim proporcionado maior confiabilidade ao sistema. Na continuidade dos estudos foi encontrado o polipropileno como uma solução para o caso dos espaçadores, que, além serem constituídos por este novo material, tiveram suas dimensões alteradas, projetados com distância de

17 16 escoamento maior para controle de descargas. Em conjunto com estas soluções utilizaram da limitação de corrente elétrica nos condutores para fim de evitar o trilhamento elétrico e obtiveram bons resultados em condições atmosféricas medianas. Em 1960 se difundiram as redes de distribuição de 25kV e 35kV. No projeto de rede Spacer Cable para atender estes novos sistemas, houve apenas uma mudança significativa na cobertura dos cabos que ficou mais espessa, porém, começou a sofrer problemas com RIV (Radio Interference Voltage), o que foi temporariamente solucionado com a substituição de isoladores. Foram instalados isoladores RF (Radio Free), utilizados em redes convencionais para cabos nus. Posteriormente vieram os problemas com espaçadores em atmosferas poluídas, pois com o deposito de poluentes sobre os componentes da rede resultaram em trilhamento elétrico, causando a degradação principalmente dos espaçadores que ficavam frágeis e quebravam com facilidade. Foi evidenciado que o espaço de escoamento dos espaçadores utilizado em tensões de 15kV não era suficiente em 25kV e 35kV [6]. Novamente se iniciou a busca por materiais com propriedades melhores que as do polipropileno para a confecção de espaçadores e na busca do espaço de escoamento correto para sistemas de 35kV. Na metade da década de 60 surgiu comercialmente o polietileno moldável, que foi pesquisado em função de sua baixa constante dielétrica e boas características térmicas. Através de ensaios que simulavam as condições de trabalho dos condutores sob condições atmosféricas desfavoráveis, ficou comprovado que o polietileno era resistente ao trilhamento elétrico, e devido à característica de gotejamento (derramamento de água), foi o que apresentou melhor desempenho para espaçador de cabos. Ao final da década de 60 os sistemas começaram a apresentar falhas, causadas por erosões, rachaduras, falhas dielétricas na cobertura dos condutores, tendo em vista que os locais de ocorrência sempre eram próximos aos isoladores. Percebeu-se a necessidade de desenvolver uma nova topologia de isolador que fosse compatível com o sistema Spacer Cable. Com a boa experiência na utilização do polietileno na cobertura de cabos e na confecção dos isoladores, tornou-se obvia a sua escolha para o desenvolvimento de isoladores. Em um primeiro momento foi desenvolvido o isolador pilar o qual

18 17 enfrentou o problema de manufatura e, posteriormente, foi desenvolvido o isolador tipo pino. Ao final da década de 60 foi desenvolvido o isolador de polietileno, o qual teve sua eficácia comprovada em sistemas Spacer Cable. 2.1 História da Rede Compacta no Brasil O Brasil adotou a rede aérea convencional como padrão para distribuição de energia elétrica em media tensão, pelo fato de ter sido influenciado por fabricantes de equipamentos de redes elétricas e pelo fator econômico. A rede convencional é a rede constituída por cabos nus sustentados por isoladores, por sua vez presos as cruzetas de madeira. Porém, este sistema de distribuição convencional passou a apresentar alto índice de falhas, causando interrupções no fornecimento de energia, acarretando em altos custos operacionais para as concessionárias, além dos impactos ambientais gerados. Com o propósito de solucionar esses tipos de problemas, entrou no mercado nacional a topologia de Rede Aérea Compacta Protegida. No Brasil as primeiras experiências com cabos cobertos em redes aéreas foram com a concessionária COPEL com a rede de 13,8kV, em 1989 [7]. Na época, apenas os condutores nus foram substituídos por condutores cobertos com polietileno, mantendo a estrutura da rede aérea convencional com cruzetas e isoladores de porcelana tipo pino para sustentação, com a finalidade de testar a eficiência dos cabos cobertos frente aos contatos ocasionais de árvores em períodos de chuvas e ventos [8]. Na década de 90 cresceu a pressão dos órgãos ambientais sobre as concessionárias de energia elétrica, restringindo a questão das podas inadequadas das árvores que eram efetuadas com frequência ao longo das redes de distribuição de energia elétrica. O fato fez com que as distribuidoras adotassem os padrões construtivos das redes aéreas compactas protegidas, que permitem a convivência mais harmoniosa entre árvores e redes de distribuição, para amenizar o impasse. A partir daí se desencadeou um processo crescente de investimentos nesta topologia de rede. Hoje, a tecnologia das redes compactas protegida está bem difundida no território nacional, grandes distribuidoras de energia investem pesado neste sistema, um exemplo disso é a Copel, que publicou a construção de 900 km de redes

19 18 compactas protegidas para 2013, fazendo com que o Paraná ultrapasse 5 mil km de redes compactas instaladas.[8] O diretor de distribuição da Copel, Vlademir Santo Daleffe, explica Ao substituir as redes convencionais por compactas, conferimos maior segurança e continuidade ao fornecimento de energia para os paranaenses, além de melhorar a convivência dos cabos com a arborização urbana, já que as redes protegidas ocupam uma área menor e evitam podas drásticas [8]. Por estes motivos, as concessionárias, ao realizarem obras em redes de distribuição de energia elétrica para melhoria ou expansão de alimentadores, utilizam-se da tecnologia da rede compacta protegida como solução. 2.2 Principais Aplicações de Redes Compactas Protegidas A rede aérea compacta protegida é indicada para locais onde há necessidade de bons índices de confiabilidade e segurança, necessidade de compactação da rede e melhor convivência com a arborização, por estes motivos essa topologia de rede deve ser aplicada nas seguintes situações [9]: Áreas de congestionamento de circuitos (saídas de subestações): nestes casos, existe grande dificuldade na utilização de redes convencionais devido ao espaço exigido entre condutores e entre circuitos, visto que é constituída por condutores nus. Nas redes aéreas compactas protegidas, o design compacto combinado com os condutores protegidos por camada de material polimérico, a qual inibe a circulação de corrente em casos de contatos acidentais, permite uma redução considerável no afastamento entre circuitos de MT em relação à rede convencional, permitindo a instalação de vários circuitos próximos uns aos outros, sem afetar a segurança e confiabilidade do sistema.

20 19 Figura 1: Saída de subestação com Rede Compacta Protegida. Fonte: [10]. Na Figura 1 é possível identificar que existem vários circuitos de MT conectados à saída de uma subestação, muito próximos uns aos outros, confinados em pequenos espaços e estruturas, o que é viabilizado pela topologia compacta protegida em virtude dos condutores protegidos e do design compacto. Instalações com mais de um circuito MT por estrutura: é viável utilizar rede compacta protegida em virtude de seu design ser compacto, ou seja, pequeno espaçamento entre condutores, assim otimizando a utilização do espaço e possibilitando a instalação de até quatro circuitos por poste, sem necessidade de grandes investimentos em estruturas, utilizando da faixa de servidão aproximada da exigida por um circuito de MT convencional.

21 20 Figura 2: Dois circuitos de MT instalados no mesmo poste. Fonte: [10]. Na figura 2 é possível observar a instalação de dois circuitos de MT na topologia compacta protegida no mesmo poste, utilizando praticamente o mesmo espaço físico exigido por um circuito de MT convencional, tornando o investimento atrativo pelo fato de utilizar a mesma faixa de passagem e o mesmo poste. Em rede tronco de alimentador: é indicada pelo fato da rede compacta protegida apresentar maior índice de confiabilidade que outras topologias de redes aéreas, ou seja, número reduzido de interrupções no fornecimento de energia devido a influencia de fatores externos, pois a ocorrência de interrupção em rede tronca atinge grande numero de consumidores, influenciando significativamente nos valores do DEC e FEC da concessionária e trazendo grandes prejuízos econômicos a ela. Condomínios e loteamentos fechados, quando houver exigência de áreas fechadas: é indicado pelos aspectos construtivos que contribuírem significativamente para aumento da segurança do ser humano, fator relevante em virtude do grande número e densidade de obras que são realizadas próximas às redes de distribuição nestes locais. Também indicada por trazer vantagens estéticas, devido ao seu design reduzir a poluição visual do ambiente, e ainda aumentar a confiabilidade do fornecimento de energia. Em locais arborizados: Em virtude de apresentar uma disposição compacta dos condutores e os mesmo serem cobertos por material polimérico, a topologia

22 21 propicia uma convivência harmoniosa da rede com a arborização, pois necessita de volume de poda reduzido em relação à rede convencional, e os eventuais toques entre galhos e condutores não ocasionam desligamentos, obtendo assim um sistema confiável e com baixo impacto ambiental. Figura 3: Rede compacta protegida em local arborizado. Fonte: [8]. Na figura 3 é possível observar a rede compacta protegida operando muito próxima da arborização, isso ocorre devido à compactação e camada de proteção dos condutores, pois propiciam esta redução de impacto ambiental sem afetar a confiabilidade da distribuição de energia elétrica. Em ruas, calçadas estreitas e locais de difícil convivência entre rede convencional e edificações: existem dificuldades na instalação e operação de redes convencionais em calçadas estreitas, visto que as redes convencionais utilizam cabos nus e estes requerem grande espaçamento entre fases, fazendo com que a topologia exija ampla faixa de servidão, sendo que esta em alguns locais não pode ser respeitada em razão da proximidade da rede com as edificações. É indicada como solução nestes casos a utilização de rede compacta protegida, pois os cabos protegidos e o design compacto propiciam segurança e os afastamentos mínimos exigidos entre edificações e redes através de estruturas simples, além de reduzir consideravelmente a faixa de servidão utilizada, em relação à rede convencional.

23 22 Figura 4: Rede compacta protegida instalada em calçada estreita, próxima a Edificação. Fonte: [10]. Na figura 4 observa-se o beneficio do design da rede compacta protegida, pois ela possibilita obter o afastamento exigido pela Norma NBR dos condutores em relação a edificações através de estruturas simples, mesmo em situações em que os postes estejam muito próximos dos prédios. Locais onde são constantes os desligamentos por contato de objetos estranhos à rede: nestes locais são indicadas as redes compactas protegidas, tendo em vista que os cabos são protegidos, o que impede que ocorra curto-circuito em casos de contatos temporários de objetos com a rede, reduzindo significativamente o número de desligamentos por tal ocorrência, assim melhorando os índices de continuidade do serviço de distribuição de energia elétrica. Regiões com altos índices de descargas atmosféricas: a justificativa para tal indicação é de que a rede convencional está exposta a tal intempérie, e a incidência sobre esta pode provocar vários danos elétricos, como por exemplo: queima de equipamentos elétricos da concessionária e de consumidores e interrupção no fornecimento de energia elétrica. Em redes compactas a probabilidade da ocorrência de danos e desligamentos devido à incidência de descarga atmosférica sobre a rede é reduzida, pelo fato de que o cabo mensageiro (Cordoalha de Aço) funciona como SPDA para o sistema, disposto sobre as fazes do

24 23 sistema e aterrado ao longo da rede, protege a rede em toda sua extensão contra descarga atmosférica. Figura 5: Posição do mensageiro em relação aos condutores fase da rede aérea compacta protegida. Fonte: [10]. O cabo mensageiro está posicionado acima dos condutores fase do sistema, ou seja, fica posicionado em formato de losango com o cabo mensageiro na parte superior, formando ângulos ligeiramente superiores à 30º com os condutores que estão posicionados ligeiramente abaixo, e 0º com o condutor inferior, por isso o mensageiro funciona como uma proteção contra descargas atmosféricas para os condutores do sistema, pela sua posição e por ser fortemente aterrado. Porém, Copel [9] afirma que deve ser evitada a aplicação de redes compactas protegidas em ambientes agressivos contaminados por substâncias corrosivas e poluentes, bem como em regiões litorâneas sujeitas a maresia, faixa compreendida entre 0 e 800mt da orla marítima, pois estes ambientes são agressivos aos materiais poliméricos empregados na rede.

25 24 3 VANTAGENS X DESVANTAGENS DA REDE AÉREA COMPACTA PROTEGIDA 3.1 Vantagens Atualmente as redes de distribuição de energia elétrica compacta protegida vêm sendo largamente empregadas no Brasil devido às inúmeras vantagens apresentadas por este tipo de material. As vantagens não são apenas econômicas, mas também sociais, em razão da melhoria da imagem da empresa diante das entidades ambientais, municipais e dos próprios consumidores que são mais bem atendidos Confiabilidade no Fornecimento de Energia Elétrica Nas redes de distribuição de energia elétrica um dos quesitos fundamentais é a confiabilidade, pois falhas na distribuição de energia representam grandes prejuízos tanto para fábricas e indústrias, que param de produzir, como para as concessionárias, que perdem por energia não distribuída e eventuais ressarcimentos por danos elétricos, além da devolução financeira a consumidores, em casos dos indicadores de continuidade se encontrar fora dos limites regulados pela ANEEL. No aspecto confiabilidade no fornecimento de energia as redes convencionais aéreas estão aquém das outras topologias de redes de distribuição. Segundo ABRADE, em média 90% das causas de interrupções em redes de distribuição de média tensão são provocadas por ocorrências nas redes aéreas convencionais [11]. A rede é constituída por condutores nus, o que propicia altos índices de falhas, pois está exposta a intempéries do ar livre (tempestades, raios, ventanias, acumulação de poeira, excesso de umidade, e acúmulo de salitre em regiões litorâneas), além dos possíveis contatos de árvores e objetos aterrados com os condutores, causando o desligamento da rede. Esta realidade faz com que as concessionárias comecem a investir em tecnologias que aumentem a confiabilidade do sistema [11]. A rede aérea compacta protegida se apresenta como uma boa solução para o aumento da confiabilidade dos sistemas de distribuição de energia, pois o design

26 25 compacto junto com a utilização dos cabos protegidos diminui drasticamente a taxa de falhas da rede de distribuição em relação à rede aérea convencional. Esta diminuída taxa de falhas se dá pelo fato da cobertura dos cabos em material polimérico evitar as correntes de fuga e curto-circuito, em casos de contatos momentâneos com objetos aterrados, como galhos de árvores, objetos estranhos, animais, assim evitando a atuação do sistema de proteção e consequente desligamento (falha) da rede [12]. Os aspectos construtivos dão maior resistência mecânica à rede, por ser montada com um cabo de aço zincado (mensageiro), disposto acima dos condutores fase e possuir espaçadores próximos uns aos outros, possibilita uma baixa tração de montagem nos condutores cobertos, tornando o sistema mais resistente à ruptura em casos de impactos, queda de galhos ou objetos sobre a rede, contribuindo para o aumento da continuidade do serviço [12]. Esse aumento na confiabilidade do sistema de distribuição foi evidenciado em levantamento realizado pela concessionária Escelsa no ano de 2006, com efeito comparativo do número e causa de falhas, em um bloco do alimentador CIT15, localizado na cidade de Cachoeiro de Itapemirim, onde a rede de distribuição aérea convencional foi substituída por rede compacta protegida. Tabela 1: Redução do número de falhas após substituição da rede de distribuição de energia elétrica convencional por compacta protegida. Fonte: [13]. Os dados do ano de 2004 foram excluídos da análise pelo fato de que neste ano foi realizada a obra de substituição da rede de distribuição aérea convencional pela rede aérea compacta protegida [13].

27 26 Nesta tabela comparativa é possível observar grande melhoria no índice de continuidade do serviço com a redução da taxa de falhas, melhorando a confiabilidade do sistema de distribuição de energia elétrica Meio Ambiente A rede compacta possibilita uma convivência mais harmoniosa entre a natureza e redes de distribuição de energia elétrica, devido a uma maior proteção adquirida através da utilização de cabos cobertos e seu design compacto exigindo pequeno espaço físico para instalação Fauna Em redes tradicionais é observado um risco eminente de mortalidade de pequenos animais silvestres, como aves e pequenos macacos, por contatos com os cabos nus, e consequentes falhas no sistema de distribuição (figura 6). Nas redes compactas o número é reduzido, devido aos cabos e conexões serem cobertos com material polimérico, o qual protege os animais contra as correntes de fuga em caso de contato com objeto aterrado e condutor fase, e por proporcionar um visual mais compacto (agrupamento de condutores), o que ajuda a evitar colisões de pássaros com a rede [12]. Figura 6: Pássaros em Rede Elétrica. Fonte [11].

28 Flora Nas cidades é comum verificar a convivência de árvores e redes de distribuição de energia elétrica em um mesmo espaço, por serem bens comuns à população, a energia elétrica indispensável por sua utilidade e conforto propiciado ao ser humano, e as árvores pelo sombreamento e melhoria no aspecto visual das ruas e avenidas contribuindo para a diminuição da temperatura média e, consequentemente, para o bem-estar das pessoas. Porém, esta convivência não é muito amigável, pelo fato da interferência mútua, uma vez que as árvores interferem no fornecimento de energia elétrica, pois crescem e alcançam a rede elétrica, causando interrupções no fornecimento, principalmente quando da ocorrência de vento. Para que isso não ocorra as concessionárias realizam a poda de árvores periodicamente, interferindo no seu desenvolvimento natural com a finalidade de obter um espaço de segurança entre rede e árvores. A rede de distribuição de energia elétrica aérea convencional exige uma grande distância entre condutores e galhos em função da utilização de cabos nus, pois o contato entre galho e condutor acarreta em desligamento da rede pelo sistema de proteção, exigindo assim grande túnel de poda. Todavia, a poda não é considerada como a solução do problema de convivência entre redes elétricas e árvores, uma vez que as mesmas brotam e por sua natureza crescem na vertical, indo novamente ao encontro da rede elétrica, exigindo assim manutenção periódica, acarretando em alto custo para as concessionárias [14]. A poda conduzida de forma inadequada causa danos irreversíveis às árvores, ocasionando danos funcionais como perda do sombreamento, estética e também comprometendo o vigor e sanidade delas [15], (figura 7). Este tipo de atitude é visto com repugnância pela sociedade que cada vez mais está preocupada com as questões ambientais e também com o bem-estar propiciado pela arborização urbana, forçando as concessionárias a encontrar alternativas para melhoria na convivência entre arborização e rede elétrica.

29 28 Figura 7: Poda sob rede de distribuição de energia convencional. Fonte [16]. A utilização da rede aérea compacta protegida reduz o impacto sobre a arborização, pois neste caso a rede necessita de pequeno espaço para sua instalação e operação, permitindo que as árvores cresçam mais próximas à rede, resultando em podas menos agressivas, em menor frequência, não comprometendo a estética e sanidade das árvores, proporcionando uma convivência mais harmoniosa [12]. Figura 8: Área de poda em rede nua, protegida e isolada. Fonte [17]. A rigidez dielétrica do ar permite que os condutores fiquem afastados entre si apenas um centímetro em tensões de 13,8 kv entre linhas [18], porém é inviável

30 29 esta construção em função da proximidade entre os condutores passíveis do contato indesejado. Hoje a rede de distribuição de energia elétrica compacta protegida, para tensões de 13,8 kv entre linhas, opera com espaçamento de 15 centímetros entre fases, o que comparado as redes convencionais significa uma grande evolução tecnológica. O impacto das redes compactas sobre a arborização não só é reduzido em função das dimensões da rede, mas também por utilizar condutores protegidos, possibilitando melhor convivência pelo fato de toques eventuais de pequenos galhos nos condutores não resultarem em falhas na distribuição de energia elétrica, assim o espaço entre condutores e galhos pode ser diminuído em relação à rede convencional, conforme (figura 9). Figura 9: Convivência entre árvores e redes compactas protegidas. Fonte [8]. A instalação da topologia compacta traz melhorias para o meio ambiente e para as concessionárias que, por sua vez, diminuem os gastos com podas e manutenções ao longo das redes, melhorando sua imagem social perante os consumidores e órgãos ambientais.

31 Faixa de Servidão A faixa de servidão é denominada a área que a concessionária necessita para instalação, operação e manutenção da rede de distribuição, mantendo os critérios de segurança exigidos [19]. As redes compactas protegidas possibilitam a redução da faixa de servidão em locais congestionados, como saída de alimentadores, subestações, ou em grandes centros de carga que necessitam de vários circuitos de média tensão, pois esta topologia permite a instalação de mais de um circuito por poste conforme (figura 10), o que a difere das redes convencionais. Figura 10: Quatro circuitos de media tensão instalados em mesmo poste. Fonte [20] Queda de Tensão Devido ao menor espaçamento entre condutores fase, as redes aéreas compactas protegidas apresentam menor nível de queda de tensão em relação às redes convencionais, reduzindo ou eliminando a necessidade de utilização de reguladores de tensão e capacitores para um dado comprimento do circuito. O gráfico da (figura 11) mostra um comparativo entre a rede convencional e compacta protegida, a qual apresenta redução de 21% na queda de tensão em relação à rede convencional [12].

32 31 Figura 11: Gráfico comparativo da queda de tensão em redes de distribuição. Fonte [12] Exposição ao Perigo É evidente que a rede convencional de distribuição de energia elétrica proporciona risco de choque elétrico ao ser humano, principalmente em casos de construções que se desenvolvem paralelas e próximas as redes, local em que é comum ocorrer contatos acidentais de ferramentas ou mesmo pessoas com a rede. Também é observado o risco que pessoas correm quando caminham sob a rede elétrica, pois os cabos podem romper e atingir o solo e as pessoas ainda energizados, deixando-as expostas ao risco eminente de choque elétrico que pode levar à morte [11]. A rede aérea compacta protegida reduz consideravelmente os riscos ao ser humano, uma vez que pelo fato da compactação da rede é possível obter maior afastamento dela em relação a edificações e obstáculos, bem como os cabos protegidos oferecem maior segurança, pois evitam correntes de fuga em contatos acidentais momentâneos. A disposição dos cabos diminui as chances de contato com as fases da rede em casos de quedas de objetos ou ferramentas sobre a rede. Também é observado que o distanciamento correto dos espaçadores evita que condutores energizados em caso de ruptura venham a tocar o solo ou caírem

33 32 sobre pessoas que circulam sob a rede elétrica, reduzindo drasticamente as chances de ocorrência de acidente Instalação Segundo [12], a instalação é mais fácil e rápida em relação à rede aérea convencional, pois é possível puxar os três condutores ao mesmo tempo, em uma só vez, além de exigir menor poda inicial da arborização para a instalação da rede. Em casos de substituição da rede convencional por rede compacta, sua instalação é muito rápida visto que os postes podem ser reutilizados, sendo necessária apenas a troca das estruturas Fator Econômico O fator econômico é um dos principais aspectos observados pelas concessionárias para definir projetos tanto de melhoria como de novas instalações de redes elétricas. Essa avaliação econômica é feita de forma a avaliar um investimento inicial, e sua respectiva taxa de retorno e depreciação ao longo da vida útil de uma instalação. As redes aéreas convencionais têm investimento inicial menor em relação a outras topologias de redes aéreas de distribuição de energia elétrica, porém, encarece com o passar dos anos, pela necessidade demasiada de manutenção preventiva e corretiva, e pelo fato de apresentar altas taxas de falhas, acarretando em custos por energia não distribuída e restituição aos consumidores em casos de inconformidade com os indicadores de continuidade. Redes compactas protegidas, por sua vez, têm custo inicial superior à rede aérea convencional, porém é diluído à longo prazo, por apresentar baixo índice de falha, diminuindo perdas por energia não distribuída e por inconformidade com indicadores de continuidade. Consequentemente há uma redução de custos com manutenções preventivas e corretivas, fazendo com que esta seja uma opção economicamente atrativa para as concessionárias. Segundo [17], a rede compacta protegida é a opção mais econômica que qualquer outra topologia de rede aérea, independendo da complexidade e da existência de árvores sob a rede, pois afirma, conforme gráfico comparativo abaixo,

34 33 que a rede aérea compacta protegida tem um custo inicial maior que a rede convencional, porém, os custos de operação e manutenção, combinados com as taxas de falhas ao longo da vida útil dos sistemas, tornam a rede compacta protegida o sistema mais econômico, pois se paga em aproximadamente 2,4 anos de uso na comparação com a rede aérea convencional. Figura 12: Gráfico comparativo econômico das topologias de redes aéreas de distribuição de energia elétrica. Fonte [17]. 3.2 Desvantagens da rede compacta protegida As redes compactas protegidas contaram com uma grande evolução na área dos materiais para existir, porém ainda enfrentam problemas neste sentido, com a exposição às condições climáticas adversas apresentam alguns problemas caraterísticos, os quais comprometem desempenho e confiabilidade do sistema Multi estressamento Os sistemas de distribuição de energia aéreos em condições reais de operação estão expostos diretamente ao estres, ou seja, a condições adversas como estres térmico, mecânico, elétrico e ambiental, que estão presentes em regime permanente, dessa forma induzindo os elementos de rede ao processo de

35 34 envelhecimento de forma mais ou menos acelerada que depende da combinação e intensidade dos fatores [21]. Dentre as principais formas de estres estão a vibração, tração e torção de cabos, variação de temperatura de operação e de ambiente, concentração de campo elétrico em pontos ou equipamentos da rede, umidade em excesso, acúmulo de poluentes, radiação ultravioleta. A rede se comporta de forma variada em relação a estes agentes, com coeficientes de degradação diferentes para cada ambiente em que é instalada. Porém, agentes que tem maior influência quando depositados sobre elementos da rede são matérias solúveis que na presença de umidade formam eletrólitos, como os sais originados do mar e ácidos liberados nas indústrias químicas, também são considerados de mesma forma os óxidos metálicos e minérios em forma de pó, por serem poluentes condutivos mesmo sem a presença de umidade. O estres é responsável pela degradação e envelhecimento principalmente dos elementos poliméricos da rede compacta protegida, causando perda de requisitos mecânicos e elétricos mínimos necessários para a operação do sistema. Os principais efeitos observados são a perda de proteção e sustentação dos condutores protegidos, os quais podem causar curto-circuito ou desligamento indevido da rede. As principais formas em que a degradação se apresenta é a perda de elasticidade e quebra de isoladores, espaçadores, laços e anéis de amarração, perda de elasticidade e possível ruptura da cobertura dos cabos, tracking seguido de perda de material, erosão e possível perfuração da cobertura dos cabos protegidos Tracking Tracking, também chamado de trilhamento elétrico, é um fenômeno de envelhecimento superficial do dielétrico, ou seja, da cobertura dos condutores e estruturas poliméricas empregadas na rede aérea compacta protegida, através da formação de trilhas sobre a superfície do polimérico, por onde circula corrente elétrica. Isso ocorre devido descargas elétricas próximas ou sobre a superfície dos poliméricos [21]. Os materiais poliméricos utilizados em redes elétricas de distribuição possuem alta resistividade superficial, a qual limita a circulação de corrente elétrica

36 35 superficial. Porém, fatores ambientais como a contaminação através de depósito de materiais poluentes sobre a rede, combinados com a umidade diminuem significativamente esta resistência, criando caminhos para a circulação de correntes elétrica entre pontos de diferentes potenciais [21]. Quando a corrente elétrica circula continuamente por um mesmo caminho ocorre à formação de bandas secas que interrompem essa circulação de corrente, fazendo com que o campo elétrico se torne desuniforme nesta superfície, podendo provocar descargas elétricas superficiais que por sua vez eleva a temperatura e carboniza o dielétrico, reduzindo a homogeneidade de potencial, assim acelerando o processo de trilhamento [21]. O efeito do trilhamento elétrico sobre uma área limitada é a perda gradual localizada de massa denominada erosão nos materiais poliméricos empregados na rede, como camada de proteção dos condutores, isoladores, espaçadores e amarrações, os quais perdem as características de isolação e resistência mecânica comprometendo sua vida útil e eficiência, diminuindo assim a qualidade e confiabilidade do fornecimento de energia. Este efeito ocorre geralmente em locais de concentração de campo elétrico ou drenagens de corrente, como locais de contato dos cabos fase com suas respectivas estruturas de sustentação. Também ocorre em locais que os componentes poliméricos possuem imperfeições e rebarbas ou que por sua forma de utilização, como os laços que propiciam o acúmulo de poluentes sob sua superfície, diminuindo drasticamente a resistência superficial do material polimérico. Figura 13: Trilhamento elétrico em local de contato entre condutor e espaçador. Fonte [6]