Utilização de Cabos Bimetálicos em Redes Primárias e Secundárias de Periferia

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1 Utilização de Cabos Bimetálicos em Redes Primárias e Secundárias de Periferia J.A.Cipoli, L.Zamboni, A.B.Borelli, M.A.Marco e E.D.B. Nogueira, MACKENZIE H.Takayanagi e P.R.S.Rocha, BANDEIRANTE ENERGIA Resumo - Este trabalho apresenta resultados preliminares alcançados pelo projeto de P&D denominado UTILIZAÇÃO DE CABOS BIMETÁLICOS EM REDES PRIMÁRIAS E SECUNDÁRIAS DE PERIFERIA, que está sendo realizado pela Universidade Mackenzie em parceria com a Bandeirante Energia. Palavras Chave es Bimetálicos, Distribuição de Energia, Furto de condutores. I. INTRODUÇÃO A existência de condutores de alumínio em circuitos primários e secundários de distribuição em regiões de periferia das cidades e em circuitos primários de distribuição na área rural tem resultado em diversas ocorrências de furto destes condutores, tendo como conseqüência a interrupção do fornecimento de energia elétrica. O furto de cabos elétricos tem crescido em diversas regiões do País, em especial pela facilidade com que o material - alumínio ou cobre - é recolocado no mercado, depois de passar por indústrias de fundição. Segundo a ABRADEE o furto de condutores é um problema presente em todas as empresas associadas. Os furtos se concentram principalmente nos condutores neutro, porém, ultimamente, tem-se notado um aumento significativo nos furtos dos condutores fases, com a rede energizada, demonstrando haver conhecimento por parte de quem executa o furto. Embora ataquem com maior freqüência na zona rural - em estradas pouco movimentadas e de longa extensão - os ladrões estão arriscando ações na zona urbana e em vias de grande movimentação (marginais, rodovias, etc.). Durante o furto pode ocorrer curto circuito com conseqüentes danos aos transformadores de distribuição e a equipamentos dos consumidores. Além de provocar interrupções de eletricidade, que podem afetar hospitais, indústrias, escolas, esses criminosos agem sem nenhuma preocupação com a segurança alheia. Deixam os cabos pendurados, que em alguns casos permanecem ligados por algum tempo, oferecendo perigo a todos que dele se aproximarem. Quando ocorre o furto somente do condutor neutro e de seus aterramentos, em parte da rede de distribuição, outros problemas podem ocorrer tanto na operação da rede em regime permanente (desequilíbrios de carga que evoluem para desequilíbrios de tensão), quanto na ocorrência de defeitos (curto-circuito) que envolvem a terra. Com a redução/eliminação do furto dos condutores da rede e dos condutores de descidas de aterramento, as melhorias esperadas são: - A redução do FEC/DEC e do FIC/DIC. - O aumento da segurança das pessoas,considerando que o sistema multi aterrado da distribuição terá maior confiabilidade. (é o mesmo benefício abaixo) - O aumento da segurança devido à redução de quedas de condutores da rede primária que não sensibilizam a proteção, na ausência do neutro da rede de distribuição. - Redução dos custos de reposição da rede, quando da ocorrência de furto de condutores. - A redução do índice de rompimento de condutores da rede de distribuição primária e secundária pela utilização de condutor com maior tensão de ruptura e maior temperatura de fusão. II. PESQUISA ALTERNATIVA AOS CONDUTORES DE ALUMÍNIO E COBRE Em função da alta incidência de furto dos condutores, pesquisou-se junto ao fabricante COPPERSTEEL BIMETÁLICOS LTDA. a possibilidade do desenvolvimento de condutores alternativos ao cobre e ao alumínio, que pudessem ser empregados como condutor na rede de distribuição. Na concepção dos condutores bimetálicos, fios e cabos, objetivou-se conciliar tecnicamente as melhores qualidades pertinentes aos materiais utilizados, extraindo do cobre e do alumínio as melhores características de transmissão e resistência à corrosão e do aço a excelente resistência à tração mecânica e elevado ponto de fusão. Em breve síntese do processo produtivo dos condutores bimetálicos verifica-se que o aço utilizado na fabricação é do tipo carbono ABNT (SAE-1010 / SAE-1035) e que o vergalhão de aço cobre ou aço alumínio é obtido pelo processo de caldeamento a alta temperatura na linha CLAD LINE, onde, após criterioso processo de limpeza, os dois metais se soldam de maneira que se torna impossível sua posterior separação. Observa-se na interface da soldagem que ocorre uma fusão molecular entre o núcleo de aço e a camada de cobre ou alumínio. Não conhecemos

2 processo mecânico, térmico ou químico que promova a separação dos materiais, e, esta característica faz com que os receptadores abominem este tipo de material, pois, a introdução deste material nos processos de refusão provoca a contaminação total dos banhos. Para a análise de utilização deste tipo de condutor em substituição aos condutores de cobre ou de alumínio da rede de distribuição a Bandeirante Energias do Brasil em parceria com a equipe técnica da Universidade Mackenzie propôs um projeto de Pesquisa & Desenvolvimento no programa ANEEL denominado Utilização de Cabos Bimetálicos em Redes Primárias e Secundárias de Periferia. III. OBJETIVOS DO PROJETO O projeto de P&D denominado Utilização de Cabos Bimetálicos em Redes Primárias e Secundárias de Periferia, tem por objetivos: bem como dos circuitos típicos utilizados para o seu atendimento, as equipes técnicas da Bandeirante e do Mackenzie, definiram dois locais potenciais, com histórico de furto de condutores, para a execução de projetos piloto com condutores bimetálicos conforme detalhado a seguir: A. Circuito piloto 1 Circuito vis-à-vis entre os alimentadores Guararema 1302 e Santa Branca 1304, com extensão aproximada de 2,2Km, constituído por trecho primário trifásico com condutores MCM e neutro com condutor 3/0 AWG, onde 1Km desse circuito teve seus condutores furtados. Diagrama Unifilar Circuito em vermelho. (Detalhe do trecho Furtado) a) Desenvolver junto aos fabricantes a especificação de condutor bimetálico que causem o menor impacto possível, mecânico e elétrico, nos atuais critérios técnicos de projeto e de construção de redes de distribuição. b) Desenvolver modelos de cálculos para o projeto eletromecânico de rede de distribuição utilizando o condutor bimetálico. c) Construir redes pilotos com os condutores bimetálicos especificados para a avaliação de sua performance. d) Desenvolver modelos de cálculo para simulação em condições de defeito de correntes de curto circuito, sub e sobretensões, tempos de atuação dos equipamentos de proteção utilizados para redes trifásicas a 4 fios, utilizando condutores bimetálicos. e) Desenvolver modelos de cálculo para a simulação em regime permanente de fluxo de potência e queda de tensão para redes trifásicas a 4 fios, utilizando condutores bimetálicos. Destaca-se a existência de redes que apresentam comportamentos distintos conforme sejam redes com transformadores de distribuição na ligação triângulo-estrela (em que não há corrente de neutro na rede primária mesmo com a presença do condutor de neutro) ou redes com transformadores monofásicos ou banco de 2 ou 3 monofásicos (delta aberto ou fechado). B. Circuito piloto 2 Circuito situado em Jundiapeba - Mogi das Cruzes, constituído por trecho primário de aproximadamente 300m com condutor 1/0 AWG com dois transformadores de distribuição e respectivos ramais secundários, constituindo uma boa configuração para o estudo da utilização de condutores multiplexados e nus nos secundários de cada uma das ET s respectivamente. Diagrama Unifilar (circuito a ser implementado) - Trecho primário em Vermelho - Trecho secundário multiplexado em Verde - Trecho secundário nu em Verde tracejado f) Desenvolver metodologia para o cálculo do custo benefício na utilização de condutores bimetálicos em redes primárias e secundárias de periferia. IV. ESCOLHA DE LOCAL PARA EXECUÇÃO DE PROJETO PILOTO Visando especificar condutores bimetálicos que causem o menor impacto possível, mecânico e elétrico, nos atuais critérios técnicos de projeto e de construção de redes de distribuição, após identificação dos consumidores de periferia

3 V. DEFINIÇÃO DOS CONDUTORES BIMETÁLICOS A SEREM UTILIZADOS A equipe técnica da Bandeirante, Mackenzie e Coppersteel, baseada nos circuitos piloto escolhidos conforme itens anteriores, definiram os tipos de condutores bimetálicos técnica e economicamente mais adequados aos padrões de rede da Bandeirante. Os tipos de condutores a serem utilizados (bitola, porcentagem IACS, etc.) são como a seguir: - Em substituição ao cabo 336,4 MCM, definiu-se por utilizar o condutor de aço aluminizado 300 MCM - 7N4 (7 fios 4AWG) com 30% IACS de condutividade com uma capacidade de condução de corrente de 387A em regime permanente (75 C) e 526A em regime de sobrecarga (125 C). - Em substituição ao cabo 1/0 AWG para utilização em circuitos primários, definiu-se por utilizar o condutor de aço aluminizado 1N2 (1 fio 2AWG) com 30% IACS de condutividade com uma capacidade de condução de corrente de 146A em regime permanente (75 C) e 196A em regime de sobrecarga (125 C). - Em substituição ao cabo 1/0 AWG para utilização em circuitos secundários e no neutro, definiu-se por utilizar o condutor de aço aluminizado 3N6 (3 fios 6AWG) com 20,3% IACS de condutividade com uma capacidade de condução de corrente de 141A em regime permanente (75 C) e 190A em regime de sobrecarga (125 C). - Para utilização em circuitos secundários multiplexados, definiu-se por utilizar os cabos aluminizados multiplexados de 16mm² e 35mm² com 30% IACS de condutividade e uma capacidade de condução de corrente de 130A e 205A respectivamente, á 75 C. - Nas descidas de aterramento de equipamentos e pára-raios definiu-se por utilizar fio de aço cobreado 4AWG. VI. UTILIZAÇÃO DO CONDUTOR BIMETÁLICO COMO NEUTRO A técnica da engenharia da distribuição através do Power System Simulator Engines, simulou defeitos na rede sob diversas configurações, visando avaliar os reflexos relativos aos níveis de curto circuito e ao comportamento da proteção, incorrendo em valores muito próximos aos relativos ao cabo 1/0 CA como pode ser observado na Tabela 1 a seguir. TABELA 1 BITOLAS (AWG) CURTO-CIRCUITO (A) FASE NEUTRO Ftmin Ftmax FF 336 3/ Aço Aluminizado 3N Cabo de Aço /0 3/ /0 Aço Aluminizado 3N /0 Cabo de Aço / Aço Aluminizado 3N Cabo de Aço Os resultados obtidos mostram que as variações são desprezíveis para o curto circuito fase terra mínimo em qualquer das combinações, bem como para o curto fase terra máximo quando se utiliza o cabo 4 como condutor fase. Quanto ao curto fase terra máximo utilizando se os condutores fases de bitola 336 e 1/0 ocorre uma redução no valor de corrente de 27,9% e 12,1% respectivamente. Os estudos de proteção devem levar em conta estas reduções, no entanto, verifica-se que os valores para curtos fase terra mínimo são próximos, indicando como satisfatórios os valores encontrados na aplicação do cabo bimetálico. VII. APLICAÇÃO DO CABO ALUMINIZADO COMO NEUTRO E MENSAGEIRO DE REDE COMPACTA Outro aspecto abordado pelo projeto foi o estudo de se substituir o cabo mensageiro, cabo de aço utilizado para sustentação da rede compacta pelo cabo de aço aluminizado, utilizando este, como neutro e mensageiro simultaneamente, reduzindo assim material e mão de obra, na execução desse padrão de rede. Através do Power System Simulator Engines, a equipe técnica do Mackenzie simulou defeitos na rede compacta considerando o padrão atual e o novo padrão (cabo de aço aluminizado como neutro e mensageiro simultaneamente), visando avaliar os reflexos relativos aos níveis de curto circuito e ao comportamento da proteção, incorrendo em valores muito próximos quando comparados os dois padrões, como pode ser observado na tabela 2 a seguir. TABELA 2 F-T- 3F-T F-T Fase Neutro Z F-F 1/ km 1/ km / km 3/ km Impedância de Falta: Z = 40 Ohms Tensão F-T: 7,97 kv Corrente: Ampéres

4 As tabelas 3, 4 e 5 a seguir mostram os tempos de atuação de disjuntores, religadores e elos fusíveis para as correntes calculadas considerando: - Disparo de fase do disjuntor 600 A - Disparo de terra do disjuntor 150 A - Disparo de fase do religador 350 A - Disparo de terra do religador A - Curva de atuação Normal inversa com alavanca de tempo 2 para qualquer equipamento. Fase Neutro 1/0 1/0 3/0 3/0 TABELA 3 CURTO TRIFÁSICO Tempo de atuação dos equipamentos de proteção 3F-T disunto religa r dor 10k ,5 15k TABELA 4 CURTO FASE TERRA MÁXIMO 25k 0,06 40k 0,09 0,06 65k 0,09 Fase Neutro TABELA 5 CURTO FASE TERRA MÍNIMO 1/ / / Tempo de atuação dos equipamentos de proteção F-T-Z disunto religa r dor 10k 6,9 27,8 6,8 1,52 1,8 1,52 0,11 0,14 0,11 15k 0,27 0,34 0,27 25k 0,7 1,1 0,7 40k 2,8 5,9 2,8 65k 28, ,8 3/ ,6 1,63 0,13 0,3 0,83 4,1 40, ,3 1,67 0,13 0,31 0,87 4,5 51,1 Os resultados obtidos mostram que não há variação significativa nos níveis de curto-circuito, bem como nos tempos de atuação da proteção, principalmente quanto aos equipamentos automáticos (religador e disjuntor) quando da aplicação do cabo bimetálico no novo padrão de rede compacta. Os valores de correntes encontrados estão dentro da capacidade de corrente em curto circuito especificada para o condutor Foi executado em Mogi das Cruzes circuito piloto com aplicação do cabo aluminizado 3N6, como neutro e mensageiro de rede compacta. Fase Neutro F-T 1/ Tempo de atuação dos equipamentos de proteção disuntoreliga r dor 10k 15k 25k 40k 65k 1/ ,98 0,78 0,06 0,08 0,16 0, ,23 0,81 0,07 0,1 0,19 0,47 3/ / ,57 0,73 0,06 0,07 0,11 0, ,84 0,77 0,06 0,08 0,14 0,33 Neutro e Mensageiro De acordo com os custos apurados, a adoção deste novo critério de projeto propicia uma economia de aproximadamente 5,86%, por quilometro de rede construída.

5 VIII. TESTE DE CAMPO COM FIO DE AÇO COBREADO 4AWG O fio bimetálico foi utilizado nas interligações da garra viva, chave fusível, pára-raios, transformador, e descida de aterramento. Como pode ser observado nos diagramas unifilares a seguir, os alimentadores foram simplificados á uma fonte, e á uma carga que representam a totalidade do circuito. A linha entre os dois barramentos representa o trecho de interligação, vis-à-vis, entre os dois alimentadores. Para esta analise simulamos as possíveis transferências de carga entre os dois alimentadores ora considerando a alimentação pela Subestação Santa Branca ora pela Subestação Guararema, fazendo um comparativo dos fluxos de potência das transferências de carga ora utilizando os condutores padronizados (336,4 fase e 3/0 neutro) ora os condutores bimetálicos (7N4 fases 3N6 neutro). Para tanto consideramos as demandas máximas requeridas por cada um dos alimentadores. A. Transferência de carga do alimentador de Guararema para o alimentador de Santa Branca. Nesta aplicação, não foram constatadas dificuldades na utilização do condutor bimetálico acima especificado. De acordo com os custos apurados, a adoção do fio bimetálico em substituição ao fio de cobre, representa uma economia de aproximadamente 2,38%, que justifica a adoção do fio bimetálico em substituição ao condutor de cobre. Perdas = (8,08+j10,41) kva V = 0 pu IX. SIMULAÇÃO DA REDE PILOTO Através da interface Smallworld PTI 1 que permite ao usuário do SIT (Sistema de Informações Técnicas) no Smallworld GIS (Geographic Information System) integrar o cadastro do sistema elétrico da Bandeirante às capacidades de análise de sistemas de potência do conjunto de bibliotecas de software do PSS/Engines 2. Desta forma as ferramentas de análise de sistema de distribuição podem interagir com ferramentas em ambiente GIS, para realizar simulações de sistema de potência, curto-circuito e análises de partida de motores, que faz parte da biblioteca básica do PSS/Engines. Vizando agilizar os processos de elaboração e análise de projetos, foi desenvolvida uma integração entre as ferramentas acima descritas (Smallworld Design Manager e Interface Smallworld PTI), possibilitando aos usuários a realizar análises de cálculos elétricos em projetos em fase de análise ou a serem executados. Com o intuito de analisar os impactos da utilização de cabos bimetálicos em substituição aos cabos de alumínio ou cobre nas redes de distribuição utilizamos as ferramentas acima descritas para fazer algumas simulações de transferência de carga na rede do circuito piloto especificado no item 4.1. Perdas = (20,3+j23,38) kva V = 0,01 pu B. Transferência de carga do alimentador de Santa Branca para o alimentador de Guararema. 1 PTI Power Technologies Inc. Empresa que desenvolve e comercializa software para análise de sistemas de potência 2 PSS/Engines Power System Simulator Engines (Motores de Simulação de Sistemas de Potência) Perdas = (30,67+j62,27) kva V = 0,01 pu

6 programada, por curtos intervalos de tempo, e que a carga transferida, dificilmente atingirá o valor da carga simulada. XI. PRÓXIMOS PASSOS Perdas = (78,44+j92,65) kva V = 0,02 pu X. CONCLUSÕES PRELIMINARES A. Utilização do Bimetálico como Neutro. O estudo mostrou que, com relação aos níveis de curtocircuito, o cabo bimetálico 3N6 não difere significativamente do cabo neutro padrão, mostrando ser adequado para utilização como neutro de redes de distribuição. B. Rede Compacta O cabo bimetálico mostrou-se adequado tecnicamente (elétrica e mecânica) para utilização em redes compactas em substituição ao neutro e cabo mensageiro simultaneamente. Uma analise econômica mostrou uma redução de 5,86% no custo de investimento com a modificação do padrão da rede. C. Descidas de Aterramento Na utilização do condutor bimetálico nas descidas de aterramento não foram encontradas dificuldades no seu manuseio e de acordo com os valores apurados a adoção do fio bimetálico em substituição ao fio de cobre implica numa redução de 2,38%, justificando a adoção do fio bimetálico em substituição ao condutor de cobre. D. Simulação da rede piloto A simulação conforme item 9 da rede piloto resultou nos valores apresentados na tabela 6, o que mostra não haver muita influência, quando da substituição do condutor padrão pelo condutor bimetálico, em relação a queda de tensão na linha. TABELA 6 SIMULAÇÃO DA REDE PILOTO Alimentação Tensão (pu) Perdas (kw) SE 1 8,08 Guararema Aluminizado 0,99 20,3 SE 0,99 30,67 Santa Branca Aluminizado 0,98 78,44 As perdas, devido às propriedades intrínsecas dos condutores bimetálicos, são mais elevadas quando comparadas com o condutor de alumínio, no entanto, ao considerarmos que tal manobra somente será feita em situação emergencial ou Para dar continuidade ao estudo de utilização de cabos bimetálicos em redes primárias e secundárias de periferia e atingir os objetivos propostos no projeto, estão previstas as seguintes atividades: a) Outras simulações com o condutor bimetálico em condição de regime permanente e condições de defeito para todas redes piloto, na utilização dos condutores especificados nas fases. b) Cálculo de tabelas de flechas e tensões para instalação dos condutores bimetálicos nas redes piloto. c) Projetos, implantações e acompanhamento da performance das redes piloto. d) Análise econômica com relação á possíveis alterações de padrões de rede. e)desenvolvimento de especificação de condutores bimetálicos para aplicação em redes primárias e secundárias de periferia. XII. REFERÊNCIAS [1] Resumo dos Problemas referentes a Furtos de es - ABRADEE - Março de 2004 (dados da Cemig, Eletropaulo, CPFL, Piratininga, Copel, Bandeirante, Grupo Rede e Light). [2] T. GONEN: ELECTRIC POWER DISTRIBUTION SYSTEMS ENGINEERING, MCGRAW HILL, [3] A. MONTICELLI: FLUXO DE CARGA EM REDES DE ENERGIA ELÉTRICA, ED. EDGARD BLÜCHER, SÃO PAULO, [4] PROTEÇÃO DE SISTEMAS AÉREOS DE DISTRIBUIÇÃO. COLEÇÃO DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, EDITORA CAMPUS/ ELETROBRÁS, [5] ABNT - COLETÂNEA DE NORMAS - PROTEÇÃO DE REDES ELÉTRICAS, [6] ELETROBRÁS - Coleção Distribuição de Energia Elétrica - Volume 7 - "ATERRAMENTO E PROTEÇÃO CONTRA SOBRETENSÕES EM SISTEMAS AÉREOS DE DISTRIBUIÇÃO". [7] CIPOLI, JOSÉ ADOLFO - ENGENHARIA DE DISTRIBUIÇÃO - CAPÍTULO 11 - "ATERRAMENTO DE SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO". [8] BANDEIRANTE NTBD "PROJETOS DE REDES DE DISTRIBUIÇÃO AÉREA PRIMÁRIA". [9] BANDEIRANTE NTBD "PROJETOS DE REDES DE DISTRIBUIÇÃO AÉREA SECUNDÁRIA". [10] BANDEIRANTE - PD "REDES DE DISTRIBUIÇÃO AÉREA EM CABOS BAIXA TENSÃO PRÉ-REUNIDOS