XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão a 25 Novembro de 2009 Recife - PE GRUPO - XV GRUPO DE ESTUDO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO E TELECOMUNICAÇÃO PARA SISTEMAS ELÉTRICOS - GTL VANTAGEM TÉCNICO-ECONÔMICA DO CABO OPMW (OPTICAL MESSENGER WIRE) EM RELAÇÃO AO CABO ÓPTICO DIELÉTRICO AUTO-SUSTENTADO Fumitaka Nishimura (1) Liliane Cicarelli (1) Luiz Obara (1) Marcio Coelho (1) (1) PROCABLE ENERGIA E TELECOMUNICAÇÕES SA* RESUMO As concessionárias de energia elétrica e de telecomunicações requerem cada vez mais um sistema de comunicação altamente confiável e de alta qualidade com custos compatíveis aos seus orçamentos, sendo o cabo óptico um dos itens que mais afeta o custo global do sistema, é necessário, portanto, desenvolver dia a dia um cabo de alta confiabilidade e custo cada vez inferior. Para atender às necessidades do mercado nacional, em especial o programa de inclusão digital do governo federal, que em preço fosse comparável ao do cabo auto-sustentado e com confiabilidade e vida superior, a empresa de cabos Fujikura Ltd. do Japão em parceria com a empresa nacional Procable Energia e Telecomunicações SA desenvolveu um cabo metálico similar ao cabo OPGW quanto à confiabilidade, porém de dimensões, peso e custo comparáveis ao do auto-sustentado. Esse trabalho mostra as várias aplicações do cabo OPMW em linhas de transmissão aérea, com a sua solução sistêmica, ou seja, os acessórios e ferragens a serem utilizados para esse tipo de cabo e suas vantagens técnicoeconômicas em relação ao cabo auto-sustentado. Os resultados dos ensaios de tipo efetuados nos laboratórios oficiais do CEPEL-RJ e do CPqD - Campinas comprovam a sua alta confiabilidade. PALAVRAS-CHAVE OPMW, linhas de transmissão aérea, linhas de subtransmissão, linhas de distribuição, cabos ópticos aéreos, cabos OPGW INTRODUÇÃO Motivados para atender à demanda crescente por soluções técnica e economicamente viáveis para os programas de inclusão digital do Governo Federal Brasileiro, a Procable Energia e Telecomunicações e a Fujikura Ltd. do Japão uniram suas expertises para desenvolver o cabo OPMW. O cabo OPMW será utilizado principalmente nas linhas onde não existirem os cabos pára-raios convencionais e/ou OPGW (Optical Ground Wire) sendo instalado preferencialmente sob as fases das linhas de transmissão aéreas apresentando muitas vantagens em relação ao cabo ADSS (All Dielectric Self Supported). A utilização de cabos de fibras ópticas em linhas de transmissão já é uma tecnologia dominada há mais de 25 anos e tem se apresentado como uma solução bastante confiável para a formação dos grandes backbones de telecomunicações no Brasil devido a utilização maciça de linhas de transmissão aérea em todo o território (*) Av. Casa Grande, n 1960 CEP Diadema, SP, Brasil Tel: (+55 11) Fax: (+55 11) fnishimura@procable.com.br

2 2 brasileiro. LInhas de transmissão essas que são projetadas para suportar intempéries nas mais severas condições de tempo consistindo assim uma infra-estrutura confiável para aplicação do cabo OPMW. A caminho da integração e massificação das telecomunicações no Brasil, o cabo OPMW vem preencher uma lacuna abrindo a possibilidade de utilização das linhas de subtransmissão e distribuição para composição dos backbones regionais nos estados e urbano nas cidades DETALHES CONSTRUTIVOS DO CABO OPMW 2.1 Núcleo óptico O núcleo óptico tem a função de armazenar as fibras ópticas protegendo de intempéries, agentes externos e tensões mecânicas que possam afetar o desempenho das fibras ópticas como umidade, calor excessivo, vento, pressões mecânicas e tracionamento. O núcleo óptico do cabo OPMW é formado por um tubo de aço-inoxidável (ASTM A240) como elemento central do cabo sobre o qual serão encordoados os fios metálicos. O interior do tubo contém as fibras ópticas e é preenchido com geléia para proteção mecânica das fibras. As fibras ópticas são dispostas no interior do tubo de aço-inox sem tensão e com excesso em seu comprimento constituindo a estrutura loose que impede a transmissão de esforços mecânicos entre o cabo e as fibras, garantindo as características das fibras ópticas ao longo da vida útil do cabo. A figura 1 apresenta o corte da seção transversal do núcleo óptico. Tubo de Aço-inox Fibras ópticas Geléia Figura 1 - Corte da Seção Transversal do Núcleo Óptico (Sem Escala) As características dimensionais do núcleo óptico do cabo OPMW são apresentadas na tabela 1. Tabela 1 - Características dimensionais do núcleo óptico Núcleo óptico - OPMW Diâmetro Externo 3.30 mm Diâmetro Interno 2,80 mm Área 2,395 mm 2 Massa 18,99 kg/km As fibras utlizadas no cabo OPMW atendem a norma ITU-T G.652 e possuem suas principais características definidas na tabela 2.

3 3 Tipo de fibra Comprimento de onda nominal de operação Tabela 2 Características das fibras ópticas Fibra óptica G.652 Monomodo Número de fibras no núcleo óptico Até 48 Revestimento primário 1310nm e 1550nm Acrilato Diâmetro do campo modal (9,3 ± 0,5) µm em 1310 nm (10,5 ± 0,8) µm em 1550 nm Diâmetro da casca (125 ± 1) µm Diâmetro sobre o revestimento primário (250 ± 15) µm Atenuação individual da fibra 0,34 db/km (em 1310nm) 0,21 db/km (em 1550nm) Comprimento de onda de corte < 1270nm Dispersão cromática 3,0 ps/nm.km (1310nm) 18,0 ps/nm.km (1550nm) Não concentricidade modal 0,8 µm Não circularidade da casca < 2,0% Nível de Proof-test (alongamento) PMD (Dispersão no modo de polarização) 0,2 ps/(km 1/2 ) 0,69 GN/m2 durante 1 segundo 2.2 Fios Metálicos Componentes O cabo OPMW possui 7 fios de aço-alumínio encordoados sobre o núcleo óptico. Os fios de aço-alumínio são fabricados de acordo com a ASTM B415 e possuem as características apresentadas na tabela 3. Diâmetro Tração Tabela 3 Características dos fios de aço-alumínio Fios de aço alumínio para cabo OPMW 2,5 mm 1340 MPa Alongamento mínimo em 250mm 1,5 % 137 kgf/mm 2 Condutividade mínima 20,3 % Número mínimo de torções (mandril 100 x diam. fio) 20 Espessura mínima da camada de alumínio Carga de ruptura 0,13 mm 6578 N Área 4,909 mm 2 Massa Resistência CC a 20 o C 32,35 kg/km 17,30 Ω/km Alumínio Aço Figura 2 - Fio de Aço-alumínio

4 4 2.3 Cabo OPMW Completo O cabo OPMW completo tem propriedades físicas e diâmetro uniformes, não possui fissuras, dobras, torceduras, escórias, impurezas e outras imperfeições que comprometam seu desempenho. A tabela 4 apresenta as características do cabo OPMW. Construção Tabela 4 Características do cabo OPMW completo Cabo OPMW Área dos fios de aço-alumínio 34,36 mm 2 Diâmetro Carga de ruptura Massa Módulo de elasticidade Coeficiente de expansão linear Resistência em CC a 20 o C 7 fios de aço-alumínio com 2,5mm de diâmetro 1 tubo de aço-inox com 3,3mm de diâmetro 8,4 mm 41,4 kn 255,3 kg/km 162 GPa 12,6 x 10-6 / o C 2,5 Ω/km Capacidade de curto-circuito 5 ka 2.s (T inicial = 50 o C / T final = 200 o C) Fios de aço-alumínio Núcleo óptico Figura 3 - Desenho do cabo OPMW ACESSÓRIOS PARA CABO OPMW Os principais acessórios utilizados no cabo OPMW são os grampos de suspensão e ancoragem que são bastante similiares àqueles aplicados no cabo OPGW e já possuem seu processo de fabricação, inspeção e instalação completamente dominados e histórico de aplicação em campo que ultrapassa os 30 anos. Os grampos de suspensão são dimensionados para não escorregarem com a aplicação de tensão até 25% da carga de ruptura do cabo e não romperem com a aplicação de tensão de até 60% da carga de ruptura do cabo. Os grampos de ancoragem são dimensionados para suportarem 95% da carga de ruptura e não escorregam com a aplicação de cargas até 90% da carga de ruptura do cabo. A seguir são apresentados os desenhos dos dispositivos de suspensão e ancoragem para o cabo OPMW.

5 5 L = 2000 mm B = 19 mm Φ = M16 Figura 4 - Suspensão para cabo OPMW C = 490 mm L = 600 mm Figura 5 - Ancoragem para cabo OPMW DETALHES CONSTRUTIVOS DO CABO ADSS O cabo ADSS normalmente utilizado em linhas de transmissão é constituído por fibras ópticas instaladas dentro de tubetes poliméricos reunidos em torno de um elemento dielétrico e protegidos por enfaixamentos, capa de polietileno, camadas de bloqueio de penetração de umidade, camada de aramida para tração e capa externa em polietileno resistente ao trilhamento elétrico. A aramida constitui o principal elemento de sustentação dos cabos ADSS e a quantidade utilizada em cada cabo depende da aplicação a que se destina o cabo. A capa externa de polietileno deverá possuir, além da proteção contra degradação por UV, proteção contra trilhamento elétrico provocado pelo fenômeno de descarga em bandas secas (Dry arc band) potencializado pelos altos níveis de campo elétrico onde os cabos são aplicados.

6 6 Elemento Central FRP Fibras Ópticas Tubetes Termoplásticos Fitas de Enfaixamento Capa Interna de Polietileno Fios de Sustentação (Aramida) Capa Externa de Polietileno Figura 6 - Desenho do cabo ADSS Tabela 5 Características do cabo ADSS Cabo ADSS Número de fibras ópticas 48 Diâmetro externo 15 mm Massa 200 kg/km Máxima tensão de operação 16 kn Módulo de Elasticidade 2,7 GPa Coeficiente de Expansão Linear 7,4 x 10-6 / o C COMPARAÇÃO TÉCNICA CABO ADSS X CABO OPMW Analisaremos a seguir alguns aspectos técnicos relativos à confiabilidade na instalação dos cabos OPMW em comparação com o cabo ADSS. 5.1 Materiais de fabricação O cabo OPMW é constituido por elementos metálicos de durabilidade e propriedades mecânicas superiores aos componentes poliméricos dos cabos ADSS e, adicionalmente, esses elementos metálicos representam uma melhoria no sistema de aterramento da linha de transmissão melhorando sua performance frente a distúrbios na rede elétrica. Os materiais poliméricos possuem ainda menor resistência a eventuais incêndios que possam ocorrer sob as linhas de transmissão. Dessa forma, os cabos OPMW protegem melhor as fibras ópticas localizadas em seu interior se comparados aos cabos ADSS. 5.2 Resistência ao trilhamento elétrico causado por arco sobre bandas secas e corona O fenômeno de tracking ou trilhamento elétrico ocorre em materiais poliméricos submetidos a campos elétricos elevados e variáveis no tempo. Acima de determinado valor de campo elétrico os cabos ADSS sofrerão desgaste por trilhamento elétrico comprometendo a vida útil do cabo. Assim, ainda na fase de projeto do sistema, os perfis das estruturas onde serão instalados os cabos ADSS devem ser verificados quanto a distribuição do campo elétrico e o cabo ADSS só poderá ser instalado em locais onde o campo elétrico seja inferior aos valores garantidos pelo fabricante, ocorrendo, em muitos casos, a impossibilidade de instalação do ADSS na estrutura.

7 7 O cabo OPMW, por sua natureza metálica não sofre os efeitos do trilhamento elétrico apresentando, sob esse aspecto, uma vantagem muitíssimo superior quando comparado ao cabo ADSS. A cobertura polimérica do cabo ADSS é sujeita ao acúmulo de poeira e resíduos. Dependendo do regime de chuvas de cada região esse problema poderá prejudicar a vida útil do cabo ADSS, pois com a presença de umidade essa camada torna-se condutora aumentando a corrente superficial sobre a cobertura do cabo ADSS, sendo que ao secar, aparecerão pequenas descargas na cobertura do cabo que, por efeito térmico, aumentam o desgaste da cobertura polimérica. Esse efeito é agravado nas proximidades dos grampos de suspensão e ancoragem onde ocorre um acúmulo maior de sujeira e adicionalmente as pontas dos grampos estão sujeitas ao aparecimento de corona. Alguns fabricantes recomendam a instalação de dispositivos anti-corona na ponta dos acessórios de ancoragem e suspensão para reduzir a ocorrência desse fenômeno. A figura 7 ilustra o problema de arco em bandas secas. Figura 7 - Detalhe do desgaste do cabo ADSS agravado pelo fenômeno de arco sobre bandas secas em LT de 100 kv. [1] 5.3 Flecha e distância cabo - solo O cabo ADSS para as mesmas condições de governo de uma determinada linha de transmissão apresenta uma flecha maior do que a do cabo OPMW reduzindo a distância cabo solo que, por vezes, poderá dificultar ou impossibilitar a utilização desse cabo. O cabo OPMW, por ser metálico, possui as características de tensão-deformação lineares e similares às dos condutores, fato esse que não ocorre com o cabo ADSS que além de possuir módulo de elasticidade menor é constituído de material polimérico apresentando não linearidade nas curvas de tensão-deformação se comparado com os condutores. Essa não linearidade no comportamento mecânico do cabo ADSS pode levar inclusive a problemas de balanço assíncrono quando comparadas as condições EDS (every day stress) e as condições de vento máximo que pode levar, em situações extremas, ao enrolamento desse cabo sobre os condutores COMPARAÇÃO ECONÔMICA CABO ADSS X CABO OPMW Para linhas de transmissão com vão médio superior a 200m onde é necessária uma quantidade de aramida muito grande para que se possa permitir o tracionamento do cabo ADSS a níveis seguros para a instalação, os valores do sistema de cabos OPMW incluindo acessórios e mão-de-obra, se comparados com o sistema de cabos ADSS, é praticamente o mesmo. Em simulações de caso real, para atendimento a soluções por fibra óptica de programas governamentais de inclusão digital, utilizando linhas de transmissão de 69kV do sistema da Coelce no Ceará os valores encontrados para a solução com cabo OPMW foi economicamente melhor do que a opção que considerava a utilização de cabos ADSS, agregando ao sistema um produto de confiabilidade e qualidades muito superiores, como discutido no item anterior CONCLUSÃO O cabo OPMW é um cabo metálico com fibras ópticas em seu interior que permite uma flexibilidade de instalação e excelente desempenho. O cabo OPMW apresenta-se como uma solução viável técnica e economicamente de infra-estrutura para o atendimento às necessidades do Governo Brasileiro de universalização do acesso às tecnologias digitais pois permite, com uma confiabilidade muito maior se comparada à do cabo ADSS, que as concessionárias de energia elétrica brasileiras utilizem seus sistemas de transmissão, subtransmissão e até mesmo de distribuição para atingir as cidades e comunidades mais afastadas do território nacional.

8 8 O cabo OPMW possui peso, diâmetro e custo comparáveis aos cabos ADSS, no entanto, por ser metálico fornece uma proteção muito maior às fibras ópticas em seu interior e também não sofre com os problemas oriundos do elevado campo elétrico a que está submetido e ao problemas oriundos de deposição de poluentes sobre o cabo, que tipicamente provocam falhas nos cabos ADSS. Os ensaios de tipo realizados no cabo OPMW no Cepel e no CPQD certificam a qualidade do projeto do cabo e sua adequação para utilização em linhas aéreas REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) S. M. Rowland, et al, Implementation of a Solution to the Problem of Dry-band Arcing on ADSS Cables, IEEE/Transactions on Power Delivery, vol. 22, n. 1, January (2) S. M. Rowland, Prevention of Dry-band Arc Damage on ADSS Cables, IEEE/Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 13, n. 4, August (3) Günes, Ibrahim, Özcelep, Yasin, Reliability Analysis of ADSS Cables Using Dry Band Arcing Test, Journal of Electrical & Electronics Engineering, vol. 8, n. 1, (4) Tuomine, Monty W. and Olsen, Robert G., Electrical Design Parameters of All-Dielectric Self-Supporting Fiber Optic Cable, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 15, n. 3, July (5) Karady, George G. and Devarajan, Srinivasan, Algorithm to Predict Dry-Band Arcing in Fiber Optic Cables, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 16, n. 2, April (6) Edwards, Kenneth S. and Olsen, Robert G., Portable ADSS Surface Contamination Meter Calibrated in High Voltage Environment, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 18, n. 3, July (7) Shi, Baozhuang, et al, Experimental Studies of the Characteristics of Dry Band Arcing on ADSS Fiber Optic Cables, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 19, n. 4, October (8) Karady, George G., et al, Experimental Verification of the Proposed IEEE Performance and Testing Standard for ADSS Fiber Optic Cable for use on Electric Utility Power Lines, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 21, n. 1, January (9) Karady, George G. and Madrid, Johnny, Assessing Deterioration of ADSS Fiber Optic Cables Due to Corona Discharge, Final Project Report - PSERC Publication 02-17, May DADOS BIOGRÁFICOS Fumitaka Nishimura é membro do IEEE. Bacharelado em 1973 e Mestrado em 1981 em Engenharia Elétrica e Doutorado em Sistemas de Potência em 1988 pela USP - Universidade de São Paulo. Atualmente é o CEO da Procable Energia e Telecomunicações SA. Liliane D. Cicarelli é membro do IEEE. Bacharelado em 1986 e Mestrado em 1992 em Sistemas Elétricos de Potência pela USP - Universidade de São Paulo. Atualmente é Gerente Geral da Procable Energia e Telecomunicações SA. Luiz Shiguenobu Obara é Bacharelado em 1982 pela USP Universidade de São Paulo. Atualmente é Gerente de Engenharia na Procable Energia e Telecomunicações SA. Marcio Coelho é membro do IEEE. Bacharelado em 1993 pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais e Mestrando em Sistemas de Potência pela USP - Universidade de São Paulo. Atualmente é Engenheiro Eletricista na Procable Energia e Telecomunicações SA.