UM ESTUDO SOBRE REDES SUBTERRÂNEAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 29 UM ESTUDO SOBRE REDES SUBTERRÂNEAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Bruno Mont Gouvea (G-FEIS/UNESP) Antono Marcos Coss (FEIS/UNESP) RESUMO Este trabalho apresenta um estudo sobre sstemas subterrâneos de dstrbução de energa elétrca (redes de baxa tensão - BT e de méda tensão - MT) consderando os aspectos de rede (confgurações, termnologas, smbologas, materas e equpamentos) bem como a questão da análse dos parâmetros elétrcos dessas redes (cálculo elétrco: queda de tensão, corrente nos ramas da rede e perdas elétrcas). Fo desenvolvdo um modelo matemátco smples que consdera em sua função obetvo os custos para construção/amplação de redes subterrâneas mas as perdas elétrcas do sstema. Trata-se de um problema de programação não lnear ntero msto (PNLIM). Cada confguração é avalada através da função obetvo sueta a análse de restrção de queda de tensão mposta ao problema. Os resultados vsam apresentar custos de construção e operação de redes subterrâneas de dstrbução de energa elétrca com perfl adequado de tensão para os consumdores da rede subterrânea. Palavras-chave: redes de dstrbução subterrâneas. Planeamento. fluxo de potênca. matemátca aplcada. Introdução Os estudos de expansão e/ou construção de novas redes de dstrbução são baseados no sstema exstente, se houver, em prevsões de consumos, extensos cálculos econômcos e elétrcos, além da experênca e capacdade de ulgamento do planeador [1]. O problema consste em planear a expansão e/ou construção do sstema de dstrbução (para um ou mas estágos), tanto para redes aéreas quanto subterrâneas, envolvendo etapas de planeamento e proetos dessas redes, para atender as demandas, procurando maxmzar os atrbutos: economa, confabldade, segurança e qualdade de servço do fornecmento de energa [1, 2]. O sstema de dstrbução é subdvddo em dos subsstemas, sendo um que tem níco nas subestações de dstrbução (méda tensão - MT) e chega aos transformadores de rua, consttundo a rede prmára, e o outro que tem níco nos transformadores abaxadores e chega aos pontos de consumo (baxa tensão - BT), consttundo a rede secundára [3, 4]. As redes de dstrbução de MT e de BT são em geral planeadas e proetadas para serem construídas em confgurações aéreas. A rede convenconal aérea, quando comparada a uma rede de dstrbução subterrânea, possu as seguntes desvantagens: desproteção contra as nfluêncas do meo ambente, fcando suetas a stuações adversas, apresenta alta taxa de falhas e exge que seam fetas podas drástcas nas árvores, vsto que o smples contato com do condutor com um galho de árvore pode provocar o deslgamento de parte da rede. No entanto, possu custos de construção, operação e manutenção menores [1]. Com o crescente aumento do consumo de energa elétrca e consequentemente pressões tanto dos órgãos reguladores como dos consumdores por um servço de qualdade no fornecmento de energa por parte das empresas dstrbudoras, tem feto com que essas empresas busquem soluções capazes de melhorar a confabldade e qualdade dos servços prestados. Nesta concepção, as redes de dstrbução subterrâneas, apesar de serem mas

2 30 complexas e de possuírem um custo mas elevado que as redes aéreas apresentam vantagens e benefícos quanto à utlzação, buscando atender as expectatvas de uma rede que ofereça qualdade e confabldade no fornecmento de energa. O custo excessvo na construção de redes subterrâneas, em comparação com a construção aérea, bem como a natureza permanente do sstema, garante um estudo cudadoso das condções e ustfca um gasto razoável para o desenvolvmento de planos adequados para o sstema, tendo em vsta que o sucesso fnancero de uma empresa de fornecmento de energa elétrca depende de um servço efcente e confável, mas de uma forma econômca. Portanto, para garantr este resultado, os sstemas de dstrbução subterrâneos devem ser cudadosamente planeados e proetados. Neste trabalho é apresentado um modelo smples para análse de redes subterrâneas, que pode ser de grande mportânca para o desenvolvmento de uma ferramenta mas complexa para análse do planeamento dessas redes, de forma otmzada. Para valdar o modelo desenvolvdo, são apresentados resultados de testes fetos em um sstema proetado para ser subterrâneo. 1. Modelo para Análse de Redes Subterrâneas O modelo para análse de redes subterrâneas de energa elétrca consdera a utlzação de materas e equpamentos adequados para que essas redes possam operar com um perfl adequado de tensão para os consumdores. Para tal, fo desenvolvda uma função custo para a análse dos custos de mplantação, bem como das perdas elétrcas dessas redes, consderando um ano de operação. A proposta consste em montar uma rede adotando certos materas e equpamentos, promover a análse dos custos dessa rede e a avalação da restrção de queda de tensão. Caso, a restrção de queda de tensão sea volada em qualquer ponto da rede, monta-se novamente o sstema utlzando materas e equpamentos mas adequados. A Fgura 1 lustra o esquema geral do modelo desenvolvdo para montagem e análse de uma rede subterrânea. Montagem da rede subterrânea Cálculo da função custo (C T ) Análse de fluxo de potênca Análse de restrção de queda de tensão Não Restrção satsfeta? Sm Impressão dos resultados Fgura 1. Processo de montagem e análse de redes subterrâneas.

3 Concepção das Redes Subterrâneas A maora dos crcutos subterrâneos derva-se de redes de MT aéreas através de um poste de transção, tornando subterrânea parte da rede de MT aérea, passando em seguda por um Quadro de Dstrbução em Pedestal (QDP), do qual se dervam os crcutos subterrâneos de BT, e levando assm aos consumdores fnas (entrada de servço) [5-8]. A montagem de uma rede subterrânea não é tão smples, sendo chea de detalhes, prncpalmente no que dz respeto às nstalações, conexões, dervações e sstema de proteção. São város os elementos e equpamentos que compõem o sstema subterrâneo. De uma forma geral, os prncpas elementos e equpamentos na montagem de uma rede subterrânea são [5]: - Poste de transção; - Condutores solados; - Transformadores padronzados; - Quadro de dstrbução; - Caxas de passagem e de nspeção; - Termnas conectores; - Chaves fusíves; - Para-raos; - Dspostvos de proteção; - Dutos/canaletas. A Fgura 2 lustra o esquema geral de uma rede subterrânea. Fgura 2. Esquema geral de uma rede subterrânea de dstrbução Modelo Matemátco A função custo, para a avalação de redes subterrâneas a serem construídas e/ou ampladas, consdera os custos de proeto e de operação (perdas elétrcas) para o período de um ano, e fo desenvolvda e mplementada através da lnguagem de programação FORTRAN. De forma geral, essa função custo (CT), consderando a rede subterrânea começando a partr do poste de transção, é escrta da segunte manera:

4 32 C T = Custos de materas e equpamentos, mão-de-obra (poste de transção CPT, cabos de méda tensão CCM, cabos de baxa tensão - CCB, dutos de méda tensão CDM, dutos de baxa tensão - CDB, caxas de passagem/dervação CCD, quadro de dstrbução em Pedestal (QDP) - CQD, transformador de dstrbução - CTD) + Custos operaconas (perdas elétrcas - CPE) Matematcamente, a função custo pode ser escrta da segunte manera: C T = CPT + NI CCM + NJ CCB + NI CDP + NJ CDS + NK CCD k + CQD+ CTD+ NJ CPE sendo: O custo das perdas elétrcas (CPE) é dado por: CPE = R I 2 kwh T NI : Conunto de ramas da rede de MT; NJ : Conunto de ramas do crcuto de BT; NK : Conunto de barras (caxas de passagem/dervação) do crcuto de BT; R : Impedânca do cabo nstalado no ramo do crcuto de BT; I : Corrente elétrca calculada no ramo do crcuto de BT; kwh : Custo do kwh em R$; T : Período de um ano em horas. Para verfcar se os componentes adotados para o proeto são adequados para manter a rede operando com qualdade é verfcado a restrção de lmtes de queda de tensão. Essa restrção de queda de tensão é dada por: V mn V cal V max sendo: V V mn, max cal V : Lmte da magntude de tensão na barra (mínma e máxma) da rede prmára; : Tensão calculada na barra da rede prmára e do crcuto secundáro, respectvamente; 1.3. Fluxo de Potênca Os parâmetros elétrcos para avalar quedas de tensão na rede subterrânea, bem como para calcular as perdas elétrcas para um ano de operação da rede, são obtdos através do processamento do cálculo do fluxo de potênca. Trata-se de um fluxo de potênca monofásco para redes de BT [9]. Este método é composto por quatro equações dervadas das les de krchhoff para fazer o balanço das potêncas atva e reatva nas barras do sstema sob análse. Sstematcamente, este método do fluxo de potênca para redes monofáscas é lustrado pela Fgura 3.

5 33 Fgura 3. Procedmento para o cálculo de fluxo de potênca 2. Resultados Para valdar o modelo desenvolvdo, foram fetos testes em um crcuto subterrâneo de BT, o qual se derva de uma rede aérea de MT através de um poste de transção. Trata-se de um crcuto de um condomíno proetado para ser construído como sendo uma rede aérea. Os dados de proeto (confguração básca, materas e equpamentos empregados, outros) foram preestabelecdos ncalmente. As perdas elétrcas, bem como a análse de queda de tensão, foram obtdas tendo como base os resultados do fluxo de potênca. A Fgura 4 lustra parte do crcuto de BT utlzado nos testes. Os dados de custos dos materas e equpamentos, bem como dos resultados dos testes encontram-se na Tabela 1. Os materas e equpamentos bem como os dados de proeto adotados para montagem da rede subterrânea, são: Poste de transção: Poste de 12 m. Cabos da rede de MT: Cabos trplexados de 35 mm² (3 x 1 x 35 mm²) classe de tensão 8,7/15 kv. Cabos da rede de BT: 4 cabos sngelos com seção de 120 mm² (3 fases e neutro) classe de tensão 0,6/1,0 kv. Dutos da rede de MT: Dutos de poletleno dretamente enterrados no solo com dâmetros de 4 pol.; Dutos da rede de BT: Cabos nstalados em dutos de PVC, enterrados dretamente no solo. Quadro de dstrbução em pedestal (QDP): Quadro para almentação de crcutos com cabos de seção de 120 mm², nstalado em base de concreto.

6 34 Transformador de dstrbução: Transformador em pedestal trfásco de 75 kva e base de concreto de 1,35 x 1,00 m. Cabos para nterlgar: 4 cabos sngelos com seção de 120 mm² (3 fases e neutro) classe de tensão 0,6/1,0 kv. Caxas de passagens: Caxas (1,5 x 1,0 m) para 6 emendas fxas. Dstânca entre o QDP e o Trafo: 3m. Queda de tensão máxma admssível no crcuto: 3%. QDP A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12 Legenda: Poste de transção (rede prmára aérea/subterrânea) QDP Transformador de dstrbução em pedestal Quadro de dstrbução em pedestal (QDP) Caxa de passagem/dervação secundára Rede aérea prmára Banco de dutos dretamente enterrado (rede prmára/secundára subterrânea) Ramal de lgação (lgação de consumdores) Fgura 4. Parte do crcuto de BT. Os dados de custo dos materas e equpamentos não são reas. Os valores foram adotados tomando como base os custos de uma rede aérea com um acréscmo em torno de cnco vezes o valor da mesma. Os custos com mão-de-obra estão nclusos nos custos dos materas e equpamentos.

7 35 Tabela 1. Dados de Custos e Resultados. Custos (R$) Parâmetros Custo untáro Custo parcal Poste de transção CPT 5.000, ,00 Cabos de MT CCM 15,00/m 360,00 Cabos de BT CCB 20,00/m ,00 Dutos de MT CDM 60,00/m 4.800,00 Dutos de BT CDB 60,00/m ,00 Caxas de passagem CCD 400,00/und ,00 Quadro de dstrbução CQD 3.000,00/und ,00 Transformador CTD ,00/und ,00 Perdas elétrcas CPE 2.993, ,00 Custo total 83821,00 Nível de tensão (V) V mn 216,4 V max 220,0 De acordo com os resultados da Tabela 1, percebe-se um baxo custo de perdas anual quando comparado com os custos para construção da rede subterrânea. Apesar deste trabalho não contemplar este tpo de análse, pode-se prever que o custo das perdas ao longo dos anos compensa os nvestmentos a serem fetos na rede subterrânea. Os níves de queda de tensão permaneceram dentro do lmte máxmo de queda de 3% em relação à tensão nomnal, conforme mostra a Tabela 1. Consderações Fnas A construção de redes de dstrbução subterrâneas, apesar de terem um alto custo devdo à sua construção cvl, dos equpamentos e dspostvos de proteção utlzados, pode ser ustfcada devdo o alto grau de confabldade, segurança e baxa manutenção que ambas proporconam. Neste caso, é de fundamental mportânca o estudo dessas redes a fm de estabelecer crtéros para a cração de modelos que possam ser usados em ferramentas computaconas capazes de gerar soluções que contemplem tanto o aspecto de planeamento quanto de proetos a um custo reduzdo, mas dentro dos padrões técncos. Assm, um estudo sobre redes de dstrbução subterrâneas é de fundamental mportânca para se conhecer a concepção das mesmas (esquema construtvo e suas característcas), os prncpas equpamentos que compõem estas redes e os métodos e modelos que podem ser adotados para o seu estudo. Contudo, é mportante o estudo de um método de fluxo de potênca, que é uma ferramenta utlzada para a obtenção dos parâmetros de rede elétrca. Além dsso, o estudo de um modelo um modelo mas complexo, utlzando métodos de busca de soluções, para resolver o problema de planeamento de redes aéreas é fundamental para obtenção de soluções com custos otmzados de mplantação e operação, obedecendo a crtéros técncos operaconas. Este trabalho serve como base para o estudo e mplementação de um modelo mas completo para o planeamento de redes subterrâneas de dstrbução de energa elétrca. Referêncas [1] COSSI, A. M. Planeamento de redes de dstrbução de energa elétrca de méda e baxa tensão f. Tese (Doutorado em Engenhara Elétrca) - Faculdade de Engenhara de Ilha Soltera - Unesp, 2008.

8 36 [2] AMASIFEN, J. C. C. Algortmo evolutvo dedcado á solução do problema de reconfguração de sstemas de dstrbução radas f. Dssertação (Mestrado em Engenhara Elétrca) - Faculdade de Engenhara, Unversdade Estadual Paulsta, Ilha Soltera, [3] KAGAN, N.; OLIVEIRA, C. C. B. E ROBBA, E. J. Introdução aos sstemas de dstrbução de energa elétrca. São Paulo: Blucher, 2005, 344p. [4] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA ANEEL. Procedmentos de Dstrbução de Energa Elétrca no Sstema Elétrco Naconal PRODIST. Planeamento da Expansão do Sstema de Dstrbução (Módulo 2), [5] CPFL ENERGIA. Rede de Dstrbução Subterrânea Para Condomínos. Proeto Elétrco, [6] ELETROPAULO. Redes de Dstrbução Subterrânea - 13,2 kv. Loteamentos Resdencas, [7] COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS GERAIS CEMIG. Fornecmento de Energa Elétrca em Tensão Prmára (15 kv) ND5.3. Rede de Dstrbução Aérea ou Subterrânea. Dsponível em: < Acesso em: ul [8] COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS GERAIS CEMIG. Fornecmento de Energa Elétrca em Tensão Secundára ND5.5. Rede de Dstrbução Subterrânea. Dsponível em: Acessado em ulho/2010. [9] CHENG, C. S.; SHIRMOHAMMADI, D. A. Three-phase power flow method for realtme dstrbuton system analyss. IEEE Transactons on Power Systems, New York, vol.10, n. 2, p , AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Fundação de Amparo à Pesqusa do Estado de São Paulo FAPESP, pelo apoo fnancero no desenvolvmento deste trabalho de Incação Centífca, através do Processo FAPESP 2010/