XIV SEMINÁRIO NACIONAL DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA PLANO DIRETOR DE MÉDIA TENSÃO RECREIO DOS BANDEIRANTES

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1 XIV SEMINÁRIO NACIONAL DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA PLANO DIRETOR DE MÉDIA TENSÃO RECREIO DOS BANDEIRANTES RODRIGO DE MORAES PEREIRA DA ROSA PAULO ROBERTO SANTIAGO BASTOS FERNANDO FERRO MACEDO LIGHT SERVIÇOS DE ELETRICIDADE S.A Palavras chave: conversão, clientes, custos Foz do Iguaçu, 19 a 23 de novembro de 2000

2 1-Introdução: Nas duas últimas décadas tem se observado no Rio de Janeiro, por parte de pessoas com razoável poder aquisitivo, a busca de alternativas à explosão demográfica ocorrida na zona sul do Rio de Janeiro. Assim é que, no fim dos anos 80, início dos anos 90, ocorre um grande crescimento na região da Barra da Tijuca, muito semelhante geográfica e fisicamente à zona sul. Recentemente, o avançado estado de ocupação da Barra tem levado a uma migração para bairros vizinhos, dentre os quais e principalmente o Recreio dos Bandeirantes. Esta região é hoje a de maior crescimento(cerca de 10% ao ano) na Regional Litorânea de distribuição da LIGHT. Desta forma, a chegada de novos e importantes consumidores exige de todos na empresa enorme esforço no intuito de se prestar um serviço confiável e com qualidade, o que se traduz, inicialmente, em um planejamento bem organizado a curto e longo prazos. O presente trabalho pretende descrever brevemente a estratégia adotada para alcançar os objetivos acima citados, integrando os consumidores ao sistema elétrico de distribuição e este à nova subestação Recreio, que tem entrada em operação prevista para o fim deste ano e cuja construção se faz necessária com o avançado crescimento da região. Esta estratégia, intitulada Plano Diretor de Média Tensão da região do Recreio dos Bandeirantes, enfoca principalmente os procedimentos que deverão ser seguidos para a conversão lenta e gradual da rede de média tensão(13.8 KV) aérea existente no local para subterrânea, utilizando novas tecnologias existentes no mercado como alternativa de barateamento de custos e otimização de soluções. O trabalho descreve, ainda, as recentes discussões com os órgãos governamentais de propostas para a alocação de cabines elétricas de transformação em canteiros centrais das vias públicas e apresenta, como conclusão, uma análise econômica da conversão total da região em 5 anos. 2-Diretrizes básicas para a ligação de clientes: 2.1-Introdução Nesta seção, serão apresentados os principais pontos desse trabalho. Inicialmente, definiremos o horizonte de planejamento que deverá balizar os estudos a curto prazo. Posteriormente, será feita uma breve exposição das novas tecnologias de redes subterrâneas utilizadas como alternativa para baratear os custos das instalações. Em seguida, exporemos as normas que deverão direcionar a conversão da rede aérea atual e como se incorporam, nesse contexto, os consumidores existentes e os que irão surgir com o crescimento da região. Finalmente, será abordada a interligação ao sistema dos circuitos de média tensão(13.8 KV) que sairão da futura subestação transformadora( KV) Recreio. 2.2-Horizonte de planejamento de curto prazo: O horizonte de planejamento de curto prazo a ser considerado é de fundamental importância, pois nesse espaço de tempo é possível prever o crescimento da região com boa precisão. A área de abrangência do plano e respectivos indicadores são mostrados na figura seguinte: 2

3 Figura 1:Área abrangida INDICADORES ATUAIS Carga total da Região: 18 MVA Pedestais existentes: 60 Total de lotes da Região: 3863 Carga por lote: 6,5 KVA Taxa de crescimento anual: 10% É provável, portanto, que com o crescimento de 10% ao ano, a demanda de rede a ser atingida em 2002 esteja em torno de 9 KVA por lote. Assim, consideraremos um horizonte de curto prazo de 3 anos(referenciados a 1999) e uma demanda por lote de 10 KVA para facilitar os estudos. 2.3-Utilização de novas tecnologia de redes subterrâneas: Com a privatização da LIGHT, novas tecnologias de redes de distribuição subterrâneas vêm sendo implementadas com o objetivo de diminuir os custos normalmente altos das construções e equipamentos convencionalmente usados. Será apresentada uma breve descrição de algumas delas: Chaves a gás SF 6 : Usadas para interligar circuitos de média tensão, essas chaves possuem um isolamento que traz vantagens dos pontos de vista operacional e de manutenção, permitindo a compactação dos espaços, aberturas e fechamentos de circuitos em carga e facilitando, por exemplo, a troca de componentes que porventura possam estar danificados. Podem ser em quatro ou três vias, com a seguinte padronização atual: 3I+P, 4I, 2I+P e 3I. As vias I possuem capacidade máxima de 600 A e são próprias para o seccionamento de trechos de circuitos e ligação de clientes alimentados em média tensão, enquanto as vias P têm capacidade máxima de 200 A, sendo próprias para a ligação de transformadores de distribuição e possuindo, por esse motivo, um elemento fusível limitador de sobrecargas. Cabines elétricas de transformação: São acessórios próprios para serem utilizados em áreas internas de edificações de clientes. Vêm substituindo as antigas câmaras subterrâneas(vaults) devido à óbvia vantagem da economia em obras civis(escavações principalmente). Internamente, possuem espaço para abrigar 1 chave a gás, 1 transformador MT-BT(13800/220 V) com capacidade máxima de 500 KVA e 1 barramento modular com, no máximo, 6 saídas para circuitos de baixa tensão. Transformadores pedestais: Além de poderem ser utilizados em edificações de clientes, vêm sendo usados com freqüência em locais públicos(praças principalmente). São montados sobre bases pedestais e podem ser de 75, 150 ou 300 KVA. Podem seccionar circuitos de média tensão, mas não é permitida a abertura ou fechamento dos mesmos em carga. Caixas de passagem rasas: Normalmente pré-moldadas, são construídas no passeio, ao nível do solo e substituem as antigas caixas com gargalo, possuindo menores dimensões e diminuindo, conseqüentemente, gastos com obras civis de escavamento. 3

4 Barramentos modulares de baixa tensão: Barramentos compactos interligados diretamente à saída dos transformadores MT-BT. Possuem 6 saídas para distribuição de circuitos subterrâneos de baixa tensão com maiores quantidades de carga. Caixas de derivação modulares de baixa tensão: Utilizadas para distribuição dos circuitos que saem dos barramentos modulares ou de outras caixas de derivação. Podem ter 2, 4 ou 6 saídas para ramais de clientes ou seccionamento de circuitos, existindo ainda a possibilidade do uso de disjuntores de BT como recurso de proteção. Por serem de pequenas dimensões, podem ser colocadas, por exemplo, em muros de propriedades dos clientes. Chaves de transferência automática de carga (CTACs): Chaves a gás de 3 vias alimentadas por dois circuitos, um normal e outro reserva, existindo ainda uma saída comum para alimentação da carga. Em caso de defeito no alimentador normal, isto é, a montante da chave, toda a carga é transferida para o alimentador reserva, ficando bloqueadas as transferências em caso de defeitos à jusante da chave. As figuras seguintes ilustram algumas das descrições feitas acima: Figura 2.3-1: Chaves a gás de 3 vias Figura 2.3-2: Cabines elétricas Figura 2.3-3: Transformadores pedestais 4

5 Figura 2.3-4: Caixas rasas pré-moldadas Figura 2.3-5: Caixas de derivação modulares 2.4-Definições Passará a ser exposta agora a filosofia de expansão da rede de média tensão do Recreio dos Bandeirantes, o ponto principal deste trabalho. Para maior conveniência, serão colocadas inicialmente algumas definições fundamentais para o entendimento do restante deste texto e que poderão ser melhor acompanhadas com o auxílio da seguinte figura: CTAC pedestais CTAC Via principal Vias secundárias cabines Via principal Figura 2.4 5

6 CTACs: (Chaves de transferência automática de carga): São representadas no desenho pelo seguinte símbolo:. Vias principais: São aquelas nas quais passam circuitos de média tensão capazes de suportar maior quantidade de carga. Vias Secundárias ou de penetração: São aquelas nas quais passam circuitos de média tensão de menor capacidade de carga. Cabines elétricas ou transformadores pedestais: São representados no desenho pelo símbolo. 2.5 Normas: Serão colocadas, neste ponto, as normas que norteiam a interligação dos diversos circuitos de média tensão nas vias principais e secundárias. Mais uma vez, faremos uso da ilustração seguinte para facilitar a compreensão do texto que se segue: CTAC 1 CTAC 2 ALIMENTADOS PELAS CTACS 1 E 2 ALIMENTADOS PELAS CTACS 3 E 4 SUBANÉIS INTERNOS TRONCOS PONTO DE RECURSO ENTRE TRONCOS DE DIFERENTES CTACs CTAC 3 CTAC 4 Figura 2.5-1: Normas Troncos: São considerados troncos os trechos de circuitos de média tensão que passam pelas vias principais e são capazes de suportar grandes blocos de carga. Esses circuitos deverão ter bitola de 240 mm 2 de Al, saindo diretamente das CTACs e sendo interligados nas chaves de 4 vias das cabines elétricas. Devem também suportar cargas de emergência, pois estão aptos a fornecer recursos em caso de defeitos em outras CTACs ou em circuitos de outros troncos. 6

7 Subanéis internos: Deverão ser formados por circuitos com bitola de 95 mm 2 de Al que partirão das chaves localizadas nas cabines elétricas e serão interligados aos transformadores pedestais das vias de penetração. Têm menor capacidade, pois deverão suportar, no máximo, a carga da via secundária que alimentam. Em caso de defeito, o trecho do circuito problemático poderá ser seccionado entre transformadores pedestais ou entre algum destes e a chave. CTACs: Nas chaves de transferência automática serão interligados circuitos normais e reservas expressos, isto é, que sairão diretamente da subestação Recreio. Terão uma carga de, no máximo, 3500 KVA cada uma, pois embora possam suportar níveis mais elevados, perderiam sua função em caso de defeitos nos troncos ou subanéis, ou seja, uma carga muito grande poderia ser perdida sem que houvesse possibilidade de ser efetuada uma transferência automática. Localização das chaves de 4 vias: Serão equipadas com chaves de 4 vias as cabines dos lotes localizados nas esquinas das vias principais com as vias de penetração. São representados no desenho seguinte pelo símbolo. Entretanto, a localização exata da cabine a ser equipada com a chave é flexível, isto é, não é necessário que seja alocada exatamente no local marcado no desenho, mas sim em um lugar próximo do especificado. Próximo, no caso, pode significar um entorno de 2 lotes. Isto é melhor ilustrado na figura seguinte: Local especificado no desenho Figura 2.5-2: Localização das chaves de 4 vias Possíveis lotes para alocação da CT com chave de 4 vias Entorno de 2 lotes em relação ao especificado no desenho 7

8 Definição do lado de média tensão nas vias secundárias: A escolha do lado onde passará a média tensão, nas vias secundárias, objetiva evitar obras civis desnecessárias. No diagrama seguinte, o lado de MT considerado nas vias secundárias é aquele em cujos lotes estão marcadas os possíveis postos de transformação(pedestais e cabines). Lado da via em que passará a MT Figura 2.5-3: Lado de MT Posicionamento dos possíveis locais para pedestais e cabines nas vias: Os possíveis locais para pedestais e cabines foram escolhidos de modo a atender às normas de projeto atuais no que tange à zona de influência de 100 m das câmaras transformadoras para ligação dos clientes na rede de baixa tensão. Outro fator levado em conta é a existência de câmaras já energizadas em alguns locais. 2.6 Incorporação de clientes ao sistema futuro: Caso 1: Clientes existentes: Definidas as normas e procedimentos para interligação dos circuitos aos demais equipamentos e acessórios da futura rede de média tensão subterrânea, examinemos, inicialmente, como os clientes atualmente existentes no sistema deverão ser incorporados quando da conversão da rede aérea atual. O Cliente mostrado na figura possui, internamente a sua propriedade, um transformador pedestal cuja ligação está sendo feita pela rede aérea. Ele deverá continuar assim ligado enquanto a carga não evoluir no local, isto é, enquanto um investimento para se converter parte ou toda uma via de penetração ou um trecho da área abrangida para subterrâneo não seja justificável por uma evolução da demanda. Entretanto, pode-se notar que a ligação, embora derive da rede aérea, é feita por meio de um circuito subterrâneo de 50 mm 2 de Cu(equivalente ao 95 mm 2 de Al), ou seja, a preparação para a incorporação do transformador pedestal ao futuro sistema está sendo feita de acordo com a filosofia exposta anteriormente. 8

9 Cliente exemplificado Figura 2.6-1: Clientes existentes Caso 2: Novos clientes Os novos clientes deverão ser incorporados ao sistema de baixa tensão por meio de circuitos subterrâneos de, no máximo, 100 m de extensão. Caso esse requisito não seja atendido pelo posto de transformação interno mais próximo ou este tenha esgotado sua capacidade máxima, deverá ser feita uma negociação para alocação de um posto de transformação na área de propriedade do novo cliente. Isso pode representar uma profunda mudança no sistema em termos operacionais, conforme veremos agora. Recorramos à seguinte figura: 9

10 Novo Cliente Cabine existente, atualmente equipada com chave a gás Figura 2.6-2: Incorporação de novos clientes No exemplo da figura acima, de acordo com as normas do plano diretor, deverá ser alocada uma cabine elétrica equipada com chave a gás na edificação do cliente de nº 1 quando de sua entrada no sistema. Há duas alternativas nesse caso: 1) A chave da cabine do cliente nº 2 passa para a do cliente nº 1 e a cabine do cliente de nº 2 passa a ser equipada com um barramento triplex, acessório de rede que tem papel semelhante ao de uma chave a gás de 3 direções, mas com o inconveniente de só permitir manobras em circuitos completamente desenergizados, inclusive sem tensão. 2) Instala-se uma chave na cabine elétrica de nº 1 quando de sua entrada no sistema e o cliente de nº 2 continua a ter sua cabine equipada com chave. Isto traz maior flexibilidade operativa, facilitando uma reposição mais rápida dos clientes em caso de defeitos e aumentando a confiabilidade do sistema, mas torna maior os custos envolvidos. Cabe nesse ponto ressaltar a importância dos interlocutores técnicos da LIGHT, responsáveis pela negociação dos espaços para pedestais e cabine junto aos cliente 10

11 2.7 Interligação das CTACs à subestação Recreio: Até o presente momento, falou-se apenas da interligação dos consumidores às chaves de transferência automática de carga(ctacs). Voltemos a atenção agora para a filosofia de interligação destas últimas aos circuitos de saída de média tensão da futura subestação transformadora(138-13,8 KV) Recreio. A figura abaixo mostra, fisicamente, a localização da subestação e exemplifica como serão interligadas as CTACs aos circuitos de saída: Figura 2.7-1: Interligação das CTACs à subestação Recreio 11

12 Estão previstas para essa subestação a construção de, no máximo, 6 saídas para circuitos subterrâneos até o ano de Levando em conta esse fato, foi elaborada a filosofia básica de interligação desses circuitos às CTACs, traduzida no desenho esquemático a seguir, abrangendo a região de maior densidade de carga do Recreio(avenidas Gláucio Gil, Genaro de Carvalho, Guilherme de Almeida e Benvindo de Novaes), e explicada por itens adiante. CTACs CABOS R N R N N R N R N R R R R N N N Figura 2.7-2: Desenho esquemático Todos os circuitos de saída da subestação terão bitola 240 mm 2 de Cu(maior bitola padronizada pela LIGHT para cabos de média tensão), pois deverão suportar, em condições normais, cargas muito elevadas. Esse é o caso por exemplo do circuito em vermelho, alimentador normal das CTACs 1 e 4. Os alimentadores normais e reservas devem sempre ser alternados em cada chave, isto é, o par de circuitos alimentador de uma CTAC não pode ser o mesmo em nenhuma das outras. Isto evita a perda simultânea de 2 CTACs em caso de contingência dupla. Circuitos que são alimentadores normais de 2 CTACs não poderão ser alimentadores reservas de uma terceira, pois, em caso de contingências simples, poderiam alimentar 3 CTACs simultaneamente e extrapolariam suas capacidades de emergência de modo perigoso. Novamente, o circuito em vermelho ilustra o exemplo. 12

13 Como conclusão do item acima, só podem ser alimentadores reservas de outras CTACs os circuitos que são alimentadores normais de apenas 1 CTAC. Embora nesse caso também fosse possível ocorrer uma contingência dupla e um circuito alimentar 3 CTACs, a probalidade de que isso aconteça é bem menor e, mesmo assim, a partir da ocorrência da 1ª contingência, providências operativas poderiam ser tomadas para se evitar a 2ª. 2.8 Expansão do sistema a médio e longo prazos: É verdadeiro que o planejamento de um sistema, seja ele qual for, não deve ser feito apenas prevendo uma expansão a curto prazo. Surgem, dessa forma, algumas questões: como irá se comportar o sistema no momento em que, por exemplo, a demanda para a rede duplicar? E quando triplicar? Estará o sistema pronto para essas situações? Se estiver, que adaptações deverão ser feitas para mantê-lo confiável? É o que passaremos a responder nesse momento. Examinemos, dessa forma, as duas situações citadas acima: duplicação e triplicação da demanda vista pela rede. Primeiramente, vejamos a duplicação da carga, isto é, suponhamos que a demanda para a rede chegue a 20 KVA por lote. Seja, então, a seguinte figura: Figura 2.8-1: Duplicação da demanda Como pode ser notado, a única alteração que se faz necessária é a entrada de 2(duas) novas CTACs(dado que houve uma duplicação da carga, a conseqüência imediata é a duplicação do número de CTACs), não havendo qualquer necessidade de melhoria ou reforço da rede existente(como, por exemplo, a instalação de novos condutores ou recondutoramento de trechos de cabos) tanto nos cabos dos troncos quanto naqueles das vias secundárias. Em certos casos, também podem ser necessários novos circuitos de saída da subestação, conforme filosofia anteriormente exposta. 13

14 A mesma situação ocorre quando há a triplicação da demanda(30 KVA por lote), sendo adicionadas, como conseqüência deste fato, novas CTACs em número proporcional a esse aumento. A figura seguinte ilustra melhor o que acaba de ser exposto: Figura 2.8-2: Triplicação da demanda Concluindo, em caso de duplicação ou triplicação da demanda, a única alteração que deverá obrigatoriamente ser feita é a duplicação ou triplicação do número de CTACs, conforme o caso. Se não houver possibilidade de aproveitamento de um circuito de saída da subestação já existente no sistema, novos circuitos deverão ser adicionados respeitando a filosofia descrita em 2.7. O sistema apresentado está, portanto, apto a suportar uma carga até 3(três) vezes maior àquela suposta para o horizonte de curto prazo( 10 KVA por lote), sendo necessários apenas os investimentos em novas chaves de transferência automática de carga e em novos circuitos de saída, caso não se possam aproveitar os existentes. Entretanto, não podemos determinar com precisão quando ocorrerá a duplicação e/ou a triplicação da demanda, pois não podemos supor que o sistema crescerá à mesma taxa inicial, dado que, à medida que a região cresce, a taxa de crescimento cai. 3-Alocação de cabines elétricas no canteiro central das vias públicas: Recentemente, vem se tentando implementar uma nova alternativa para ligação dos consumidores do Recreio dos Bandeirantes: a alocação de cabines elétricas no canteiro central de algumas das vias públicas da região. Essas cabines são de um novo protótipo, mais adequado esteticamente a essas áreas e têm, por isso, menor impactação visual do que aquelas utilizadas nos espaços de clientes. Internamente, são semelhantes às cabines descritas no item 2.2, possuindo espaço para instalação de transformador de até 500 KVA, chave a gás de 3 ou 4 vias e barramento modular de baixa tensão. A princípio, por facilidades operacionais, todas essas cabines serão equipadas com chaves a gás. 14

15 Um exemplo pioneiro de utilização dessas cabines é o projeto recém-concluído da Praça Santos Dumont, na Gávea, onde foram instalados 3 protótipos. A figura abaixo ilustra melhor o que foi dito neste parágrafo e no anterior: Figura 3. 1 Cabine da Pça Santos Dumont A alocação dessas cabines na região vem sendo objeto de constantes negociações da LIGHT com os diversos órgão da prefeitura da Cidade do Rio de Janeiro e, como resultado deste processo, já existe aprovação para a instalação de quatro delas na Av. Genaro de Carvalho, em área mostrada abaixo. Figura 3. 2 Área de instalação das cabines O objetivo final da LIGHT é obter autorização para colocação de cabines desse tipo em todas as avenidas com canteiro central na região. Diversas vantagens podem ser apresentadas para justificar essa decisão, dentre as quais: MELHOR APROVEITAMENTO DA ZONA DE INFLUÊNCIA Dada a localização privilegiada dessas cabines, um número maior de clientes pode ser atendido, o que permite um melhor aproveitamento elétrico da zona de influência de 100 m da baixa tensão e diminui a necessidade das cabines em áreas de clientes. 15

16 DIFICULDADE DE CESSÃO DE ESPAÇO POR PARTE DOS CLIENTES: Muitas vezes, fracassam as negociações dos interlocutores técnicos da LIGHT com os clientes para cessão de espaço interno e conseqüente instalação de cabines elétricas convencionais, pois o espaço utilizado pela Companhia acaba ficando inutilizado para o cliente dono do imóvel. Com o uso dos canteiros centrais esse problema passa a ser minimizado, pois as aprovações passam a depender apenas da prefeitura da cidade, que não costuma impor obstáculos por também estar interessada em melhorar a estética da região, a qual se traduz, na parte elétrica, pela conversão da rede aérea para subterrânea. FACILIDADE DE ACESSO ÀS INSTALAÇÕES ELÉTRICAS EM CASO DE DEFEITOS NA REDE: A Companhia precisa ter livre acesso as suas instalações para efetuar reparos em caso de defeitos na rede ou manutenções periódicas em equipamentos. Nesses casos, o uso das edificações dos clientes traz um óbvio inconveniente para a companhia, que é a dependência de terceiros para efetuar os serviços que porventura sejam necessários. 4-Conclusões: Mostremos, como um fechamento do trabalho, uma análise da conversão racional da região em um período de cinco anos( ), a partir da entrada em operação da subestação Recreio, prevista para o fim deste ano. Este plano qüinqüenal pode ser melhor entendido com o auxílio da figura seguinte: Os trechos são numerados de acordo com a ordem em que serão convertidos Investimentos: : R$ , : R$ , : R$ , : R$ , : R$ ,00 Figura 3: Trecho a converter Os trechos serão convertidos na ordem em que são numerados. O critério para a conversão prioriza 2 fatores fundamentais: a densidade de carga e a importância estratégia do local. Se levarmos em conta os investimentos feitos através de uma análise econômica clássica, veremos que eles não se pagam(ou se pagam em prazos muito longos), pois os benefícios financeiros advindos da conversão da rede aérea para subterrânea são apenas os ganhos obtidos com a diminuição dos mw.h interrompidos, valores estes que não são, nem de perto, suficientes para pagar os custos envolvidos num prazo de, digamos, 30 anos. 16

17 O que deve ser considerado para se justificar a necessidade dessa conversão é a crescente exigência da clientela da região, com bom poder aquisitivo e ávida, dessa forma, por uma prestação de serviços com maior qualidade e confiabilidade. Some-se a isto, a necessidade do cumprimento do plano de urbanização previsto pela prefeitura para a região, o que impõe, como única alternativa para a rede elétrica, o uso de instalações subterrâneas. Os prejuízos que podem ocorrer caso estas expectativas não sejam atendidas serão bem maiores que os investimentos inicialmente previstos: os custos envolvidos com uma imagem denegrida da Companhia diante da sociedade, o que é absolutamente inadmissível no novo modelo competitivo do setor elétrico brasileiro. Concluindo, é de fundamental importância um investimento racional, calcado em um planejamento bem feito e com utilização de tecnologias recentes, para que não seja necessário se rever tudo à frente, quando, então, será cobrado o preço pela elaboração de uma estratégia desorganizada e impensada. 17