Seccionalizadores Eletrônicos Monofásicos Tipo Cartucho Uma Alternativa de Bom Desempenho e Baixo Custo. Eduardo Ribeiro Jeunon

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1 21 a 25 de Agosto de 2006 Belo Horizonte - MG Seccionalizadores Eletrônicos Monofásicos Tipo Cartucho Uma Alternativa de Bom Desempenho e Baixo Custo Eng. Erivaldo Costa Couto CEMIG Distribuição S.A erivaldo@cemig.com.br Eduardo Ribeiro Jeunon CEMIG Distribuição S.A eduardo.jeunon@cemig.com.br Eng. José Vicente P. Duarte CEMIG Distribuição S.A vicente@cemig.com.br RESUMO Este trabalho apresenta os resultados de experiência realizada pela CEMIG com a finalidade de estudar a aplicação de seccionalizadores eletrônicos monofásicos do tipo cartucho, em redes de distribuição comparado-os com a tecnologia de chaves fusíveis e dos seccionalizadores monofásicos hidráulicos até então utilizados. O trabalho demonstra o método de operação deste tipo de seccionalizador, suas partes integrantes e a sua instalação e operação nas redes da CEMIG. São também apresentados dados relativos à analise econômica referente ao seccionalizador eletrônico monofásico tipo cartucho comparado às chaves fusível e aos seccionalizadores hidráulicos. A análise dos resultados demonstra que a utilização deste tipo de seccionalizador proporciona as seguintes vantagens técnicas - redução acentuada do tempo de interrupções da rede; - facilidade e maior segurança na instalação e operação; - melhor coordenação com o religador. Também do ponto de vista econômico, embora o investimento inicial seja maior quando comparado a chaves fusíveis, a utilização desta nova tecnologia propicia ao longo do tempo uma maior economia, uma vez que foi verificada uma redução no número de deslocamentos para manutenção propiciando uma melhor continuidade do serviço. Atualmente, somente são adquiridos pela CEMIG os seccionalizadores eletrônicos tipo cartucho, com cerca de 400 unidades já instaladas. PALAVRAS-CHAVE Chave Fusível, Redes de Distribuição, Seccionalizador Eletrônico Monofásico, Seccionalizador Hidráulico. 1/10

2 1 INTRODUÇÃO Os seccionalizadores são usados nas redes de distribuição da CEMIG há muitos anos, desde os modelos hidráulicos com bobina série, até os trifásicos mais modernos, com controle eletrônico e restritores de corrente "inrush". No entanto, os seccionalizadores monofásicos anteriormente utilizados eram hidráulicos e assim sendo, não permitiam o uso de restritores de correntes de inserção de transformadores (corrente de inrush ), o que provocava, em determinadas condições, operações indevidas do equipamento. Outro problema é que não existiam, na CEMIG, seccionalizadores monofásicos de 24,2kV, pois até o surgimento dos seccionalizadores tipo cartucho, nenhum fabricante os produzia. Assim, foram adquiridas pela CEMIG, no final da década de 90, 28 peças do seccionalizador eletrônico monofásico tipo cartucho, que foram distribuídos para 4 (quatro) Regiões de Distribuição, para serem submetidos a testes de campo. Os locais escolhidos foram aqueles onde se constatava, através de dados históricos, um grande número de queimas de elos fusíveis, devido à ocorrência de defeitos na rede e a falhas ocasionadas por descargas atmosféricas. Outra vantagem na utilização do seccionalizador eletrônico nos ramais e derivações, em substituição às chaves-fusíveis é permitir uma melhor coordenação em falhas transitórias e permanentes. O princípio de funcionamento desse equipamento não inclui curvas tempo x corrente e envolve apenas a contagem da quantidade de operações de um religador na retaguarda, permitindo, assim, agir em perfeita coordenação com aquele equipamento. Este trabalho apresenta as características básicas e princípio de funcionamento do equipamento, o relato de instalação experimental com os resultados obtidos nos testes de campo após cerca de 15 meses de instalação, a análise econômica de sua aplicação e a avaliação da viabilidade de sua padronização. Conclui com a constatação do seu bom desempenho técnico e sua viabilidade econômica, com as vantagens de redução do número de intervenções na rede em cerca de 8 vezes nos locais onde o equipamento foi aplicado, além de proporcionar facilidade e maior segurança na instalação e operação do equipamento e melhor coordenação com religadores na retaguarda. 2- CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO EQUIPAMENTO 2.1- Características elétricas dos equipamentos testados Os equipamentos testados possuem as seguintes características elétricas: - Tensão nominal: 13,8kV; - Tensão máxima de operação: 15kV; - Corrente nominal: 300A; - Corrente de atuação: 15A e 35A; - Número de operações para o bloqueio: 3; - Tempo de reset : 60s. Uma característica dos seccionalizadores eletrônicos monofásicos tipo cartucho testados na época, é que eles eram previamente ajustados e não podiam ter seus valores alterados (número de operações, valor da corrente de pick-up e tempo de reset ). Além disso, os seccionalizadores eletrônicos utilizavam um disparador automático que precisava ser substituído toda vez que ocorria uma operação do equipamento. Atualmente, já em sua terceira geração, os seccionalizadores podem ser ajustados de acordo com a necessidade do usuário e não mais necessitam do atuador, sendo rearmáveis manualmente. 2/10

3 2.2- Características Gerais O seccionalizador eletrônico monofásico do tipo cartucho utilizado tem a aparência de um porta-fusível, e suas partes integrantes são mostradas na Figura 1. Contato Superior Tubo Condutor Placa de Circuito Impresso Transformador de Corrente Contato Inferior Atuador Descartável Figura 1 - Partes Integrantes do seccionalizador eletrônico monofásico A lógica de operação do equipamento é realizada por uma placa de circuito impresso alojada dentro do tubo condutor que atua como uma blindagem e evita interferência eletromagnética no circuito eletrônico. O transformador de corrente, que envolve o tubo condutor, fornece energia para o atuador e uma amostra da corrente da rede ao circuito lógico, que faz a contagem do número de operações do equipamento de retaguarda e dispara o atuador ao ser atingido o número de operações ajustado. O atuador químico, quando existir, deve ser substituído toda vez que o seccionalizador opera. 2.3 Princípio de funcionamento O seccionalizador tipo cartucho não interrompe correntes de curto-circuito, nem pode ser aberto em carga. Para abri-lo, é necessário utilizar um loadbuster, de forma similar a uma chave fusível. Quando a corrente da rede supera o valor de pick-up ajustado e, em seguida, atinge valores próximos a zero (da ordem de alguns ma), devido a abertura do religador de retaguarda, o seccionalizador eletrônico 3/10

4 conta a operação daquele equipamento. Quando o circuito lógico atinge o número de operações ajustado, é enviado um sinal elétrico ao atuador que dispara e promove a abertura do seccionalizador, da mesma forma que uma chave fusível quando ocorre o rompimento do elo fusível. Da mesma maneira que para os demais seccionalizadores, o número de operações que o seccionalizador eletrônico monofásico tipo cartucho irá contar deve ser sempre uma a menos que o número de religamentos do equipamento de retaguarda. A Figura 2 mostra um gráfico com a operação de um seccionalizador com 2 operações e um religador de retaguarda com 3 religamentos. Religador Tronco Seccionalizador Ramal Falta Corrente no Tronco Falta Carga Valor de pick-up Corrente "Inrush" Contatos do Religador Fechado Aberto Abertura Religamento Abertura Linha Restabelecida Religamento Estado do Seccionalizador Fechado Aberto Normal Memorização da 1 a Abertura do Religador 1 a Abertura do Religador 2 a Abertura do Religador Memorização da 2 a Abertura do Religador Abertura do Seccionalizador Ramal isolado Figura 2 - Gráfico de Operação do seccionalizador eletrônico monofásico O seccionalizador tipo cartucho possui ainda uma função restritor de inrush, não disponível nos seccionalizadores monofásicos hidráulicos. Esse recurso evita que o seccionalizador atue indevidamente, em determinadas condições. Um exemplo dessa atuação indevida é apresentado a seguir. Considere-se a mesma situação ilustrada na Figura 2 (religador ajustado para 4 operações/3 religamentos e seccionalizador com 2 operações). Em caso de defeito no ponto mostrado na Figura 3, o religador atua e, se a corrente de inrush do ramal for superior à corrente de pick-up do seccionalizador, este será sensibilizado por essa corrente após o primeiro religamento e contará 1 operação na 2ª abertura do religador. A seqüência de fatos se repete, fazendo com que o seccionalizador conte 2 operações na 3ª abertura do religador e, em seguida, interrompa o ramal. Após o 3º e último religamento pelo religador, irá ocorrer o bloqueio desse equipamento, ficando abertos ao final tanto o religador quanto o seccionalizador, sem que o defeito tenha sido isolado. 4/10

5 R tronco S Ponto de defeito ramal Fechado 1ª abertura do religador 2ª abertura do religador 3ª abertura do religador Bloqueio do religador Religador Aberto Sec conta 1ª operação Sec conta 2ª operação Fechado Seccionalizador Aberto Seccionalizador é sensibilizado pela corrente de inrush do ramal Abertura do secciuonalizador Instalação na Rede Figura 3 Ilustração do função restritor de in rush A instalação do seccionalizador eletrônico monofásico tipo cartucho é feita de maneira análoga à de um porta-fusível, sendo instalado na chave base C utilizada nas redes de distribuição, conforme mostrado na Figura 4. Figura 4 - Instalação do seccionalizador tipo cartucho 5/10

6 3- EXPERIÊNCIA DE CAMPO Para que fosse feita a avaliação de campo do seccionalizador eletrônico tipo cartucho, eles foram enviados, nas quantidades indicadas, para as seguintes cidades: - Ponte Nova: 9 peças; - Pouso Alegre: 5 peças; - Itajubá: 6 peças; - Ituiutaba: 8 peças. Foi solicitado às Regionais que os equipamentos fossem instalados em locais onde a queima de elos fusíveis fosse freqüente, devido à ocorrência de defeitos na rede (presença de galhos de árvore, pássaros, etc) ou por falhas ocasionadas por descargas atmosféricas. As peças foram instaladas da seguinte forma: - Ponte Nova: em derivações de Rede de Distribuição Rural, sendo 3 peças em uma derivação trifásica e as outras 6 peças em derivações monofásicas, instaladas entre janeiro e maio de 1997; - Pouso Alegre: em 5 derivações de Rede de Distribuição Rural monofásicas, instaladas em janeiro de 1997; - Itajubá: em 2 derivações de Rede de Distribuição Rural trifásicas, instaladas em dezembro de 1996; - Ituiutaba: em 8 derivações de Rede de Distribuição Rural monofásicas, instaladas em novembro de 1997; 4 - ANÁLISE DE DESEMPENHO Para a análise do desempenho dos seccionalizadores eletrônicos nas redes de distribuição, foram realizadas visitas às Regionais, um ano após a sua instalação, para discutir a respeito do seu desempenho. Os dados levantados estão mostrados a seguir Problemas Ocorridos Durante o período de testes de campo, foram detectados alguns problemas operativos descritos abaixo: - Ponte Nova Um seccionalizador instalado em uma rede monofásica não operou provocando o bloqueio do religador de retaguarda, mesmo tendo sido localizado um defeito na rede. Esse equipamento foi testado em oficina e estava operando corretamente. Não foi possível determinar a causa da não operação, supostamente indevida. - Itajubá Um dos seccionalizadores de 15A atuou sem que fossem verificados religamentos automáticos RA's no religador de retaguarda. Nesse caso, também, não foi possível determinar a causa dessa operação. Ao mesmo tempo, verificou-se que o religador de retaguarda estava ajustado para 3 operações, mesmo número do seccionalizador. Embora não houvesse relação com o problema citado anteriormente, essa situação poderia levar ao bloqueio do seccionalizador em conjunto com o religador de retaguarda. Em função disso, foi solicitada a retirada e reinstalação do equipamento em outro local, onde o religador estivesse ajustado para 4 operações. - Ituiutaba Foram constatadas várias operações dos seccionalizadores sem causa aparente. Após visita ao local, em conjunto com o fabricante, foi constatado que a corrente de carga nos circuitos variavam bastante, chegando a ser superior ao valor de pick-up do equipamento. Após análise dos dados pelo fabricante, a CEMIG foi informada que quando isso ocorre, o circuito eletrônico fica ativado e ocorre uma instabilidade, provocando sua operação indevidamente. 6/10

7 Das 8 peças instaladas, 4 foram reinstaladas em outros locais e ficaram em operação sem apresentar problemas Dados dos testes de campo Com a finalidade de verificar o desempenho das redes com os seccionalizadores eletrônicos monofásicos do tipo cartucho, foram levantados dados do número de intervenções nas redes, antes e após a instalação, de modo a determinar os ganhos obtidos. Esses dados estão mostrados na tabela abaixo. Região Número de pontos Tabela 1 - Número de Intervenções na Rede Número de Intervenções em 12 meses Antes da Instalação do seccionalizador Após a Instalação do seccionalizador Ponte Nova Itajubá Pouso Alegre Total Com relação a Ituiutaba, devido aos problemas citados anteriormente, quatro seccionalizadores eletrônicos foram relocados, e instalados em locais onde antes existiam chaves faca, não sendo, portanto, possível determinar os ganhos obtidos, por serem essas chaves equipamentos de manobra e não de proteção. Pode-se verificar que, em média, a instalação dos seccionalizadores reduziu o número de desligamentos das redes em cerca de 8 vezes, quando comparado com a instalação de chaves fusíveis Comentários dos Órgãos Regionais Foram feitas as seguintes observações pelos Órgãos Regionais: Facilidade de instalação e operação; Facilidade de coordenação com o religador; Segurança na operação. Quando da ocorrência de um defeito na rede, caso ele não seja localizado ou corrigido após a verificação do circuito, ocorrerá novamente a operação do religador quando do fechamento do seccionalizador. Tal fato foi considerado como sendo uma vantagem, pois, caso estivesse sendo utilizada uma chave fusível, ocorreria a queima do elo com o conseqüente arco devido à interrupção, com riscos para o eletricista. Quando da ocorrência de defeitos na rede causados por sobretensões, ocorrerá apenas a atuação do religador de retaguarda eliminando a falta, que, de forma geral, é de caráter transitório e o circuito é restabelecido. Dessa forma, é proporcionada uma melhor continuidade de serviço com redução do DEC (Duração Equivalente ao Consumidor) e do número de intervenções na rede. 5- AVALIAÇÃO ECONÔMICA A seguir é mostrada uma avaliação comparativa entre o seccionalizador tipo cartucho, a chave fusível e o seccionalizador hidráulico monofásico 15kV, tipo GH, que era utilizado na época pela CEMIG. Na avaliação são analisados os custos de instalação e de operação dos três equipamentos, verificando-se a viabilidade do uso do seccionalizador tipo cartucho. Nessa análise, tendo em vista o exposto no item 4.2, serão considerados os dados relativos aos equipamentos instalados em Ponte Nova, Itajubá e Pouso Alegre: Custo médio ponderado da mão-de-obra por interrupção = R$ 150,00; 7/10

8 Número médio de desligamentos, por ponto, com chave fusível, nos 12 meses anteriores à instalação do seccionalizador tipo cartucho = 4,75 (Número de ocorrências/número de pontos Ver Tabela 1); Número médio de desligamentos, por ponto, nos 12 meses posteriores à instalação do seccionalizador tipo cartucho = 0,60 (Número de ocorrências/número de pontos Ver Tabela 1) Com base nos dados acima e no preço de aquisição dos seccionalizadores tipo cartucho, foram calculados os valores abaixo indicados para serem utilizados na análise econômica mostrada na Tabela 2 e indicada no Gráfico 1. - Seccionalizador eletrônico monofásico cartucho: Custo do equipamento = R$ 800,00; Custo da instalação = R$ 18,00 [1]; Custo anual das intervenções na rede = R$ 90,00 (0,60 intervenção a R$ 150,00). - Chave fusível: Custo do equipamento = R$ 80,00; Custo do elo fusível = R$ 1,50; Custo da instalação = R$ 18,00 [1]; Custo anual das intervenções na rede = R$ 719,63 (4,75 intervenções a R$ 150,00 + 4,75 elos a R$ 1,50). - Seccionalizador Monofásico 15kV GH (Hidráulico): Custo do equipamento = R$ 1.184,00; Custo da instalação = R$ 300,00 [1]; Custo anual das intervenções na rede = R$ 90,00 (0,60 intervenção a R$ 150,00). A Tabela 2 apresenta a capitalização dos custos de instalação e manutenção dos equipamentos por 20 anos. O seccionalizador tipo cartucho foi o equipamento que apresentou menor custo final. EQUIPAMENTO CUSTO INICIAL Tabela 2 Capitalização dos custos APÓS 2 ANOS APÓS 5 ANOS APÓS 10 ANOS APÓS 20 ANOS SECCIONALIZADOR R$ 818,00 R$ 988,00 R$ 1.175,00 R$ 1.369,00 R$ 1.532,00 TIPO CARTUCHO SECCIONALIZADOR R$1.484,00 R$ 1.653,00 R$ 1.841,00 R$ 2.035,00 R$ 2.198,00 HIDRÁULICO CHAVE FUSIVEL R$ 99,50 R$ 1.454,00 R$ 2.958,00 R$ 4.510,00 R$ 5.810,00 É importante notar que apesar do maior custo inicial, o seccionalizador tipo cartucho devido à redução dos custos de manutenção (substituição de elos fusíveis), se torna mais barato do que uma chave fusível em pouco mais de um ano. Se comparado ao seccionalizador hidráulico hoje utilizado, o seccionalizador tipo cartucho é mais barato ao longo dos 20 anos, como pode ser visualizado no Gráfico 1. 8/10

9 SECCIONALIZADOR MONOFÁSICO COMPARAÇÃO DE CUSTOS (R$) Secc. Tipo Cartucho Chave-fusível Secc. Hidraúlico (ANOS) Gráfico 1 Comparação de custos Além do menor custo final, o seccionalizador tipo cartucho tem a função restritor de inrush que não é disponível no seccionalizador hidráulico, tipo GH. A falta dessa função faz com que, em determinadas condições, o seccionalizador hidráulico atue indevidamente, levando à necessidade de intervenção do eletricista, conforme apresentado no item 2.3. Nessa análise, foi considerado o mesmo número de intervenções para o seccionalizador tipo cartucho e o seccionalizador hidráulico monofásico, independente do fato deste último não ter o restritor de inrush. A Tabela 3 apresenta um resumo das vantagens e desvantagens do uso de cada um dos equipamentos. Tabela 3 Comparação qualitativa entre as alternativas Equipamento Vantagens Desvantagens Chave Fusível Baixo custo inicial; Baixo custo do elo fusível. Grande número de intervenções na rede. Seccionalizador tipo cartucho Redução acentuada do número de intervenções na rede; Existência do restritor de correntes de inrush. Custo inicial mais alto do que o da chave fusível; Não permite troca do ajuste; Custo do disparador. Seccionalizador hidráulico monofásico, 15kV Redução acentuada do número de intervenções na rede; Permite troca dos ajustes. Maior custo entre todas as alternativas; Inexistência do restritor de inrush. 9/10

10 6- CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Embora o seccionalizador tipo cartucho tenha apresentado alguns problemas operativos, que foram em sua maioria esclarecidos satisfatoriamente, a experiência de campo permitiu conhecer melhor sua utilização. Com a instalação do seccionalizador tipo cartucho ocorreu uma redução do número de intervenções na rede em cerca de 8 vezes nos locais onde o equipamento foi aplicado, fazendo assim com que o equipamento ficasse mais barato do que uma chave fusível dentro de pouco mais de um ano, devido à redução dos custos de manutenção, especialmente aqueles associados aos deslocamentos das equipes de operação para o restabelecimento do serviço. Se comparado a um seccionalizador hidráulico antes utilizado pela CEMIG, o equipamento se mostra mais vantajoso desde o início de sua aplicação. Além da redução acentuada do tempo de interrupções da rede, a utilização do seccionalizador eletrônico proporciona também as vantagens de facilidade e maior segurança na instalação e operação do equipamento e melhor coordenação com religadores na retaguarda. Pelos resultados obtidos conclui-se que o equipamento apresentou um bom desempenho além de mostrarse economicamente viável, tendo sido recomendada pelos autores a intensificação de seu uso na CEMIG. Atualmente, a CEMIG já conta com cerca de 400 equipamentos instalados, com bom desempenho. 7- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ED/CE-3030 Padronização dos Critérios de Pagamento de Mão-de-Obra de Construção Relativas ao Processo de Expansão do Sistema Elétrico de Distribuição 10/10