ANÁLISE DE CUSTOS DE CONDUTORES NÃO CONVENCIONAIS UTILIZADOS EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS RURAIS

ANÁLISE DE CUSTOS DE CONDUTORES NÃO CONVENCIONAIS UTILIZADOS EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS RURAIS Rodrgues, Rcardo Martn; Sern, Paulo José Amaral; Rodrgues, José Francsco Departamento de Engenhara Elétrca Faculdade de Engenhara de Bauru UNESP CEP: 17033-360 Bauru SP, tel: 14 2216116, fax: 14 2216110 e-mal: martn@feb.unesp.br RESUMO Este trabalho propõe uma expressão que permte analsar e comparar os custos dos condutores não convenconas, utlzados em nstalações elétrcas ruras de baxa tensão. Através dessas análses, demonstrou-se que na maora das stuações, o custo estmado da nstalação elétrca rural de baxa tensão, empregando condutores não convenconas, é maor que aquele obtdo com a utlzação dos condutores convenconas. ABSTRACT Ths paper proposes a mathematcal model that permts the analyss and comparson of the costs of unconventonal conductors used n low voltage rural electrcal nstallatons. Through these analyses, t was demonstrated that n the majorty of the stuatons, the estmated costs of the low voltage n rural electrcal nstallatons, when unconvenventonal conductors are used, s hgher than those obtaned wth the utlzaton of conventonal conductors. INTRODUÇÃO A eletrfcação rural, um caso partcular de dstrbução de energa elétrca, deve ser tratada, hoje, como uma questão socal, devendo atender não somente as agrondústras, mas, prncpalmente os pequenos produtores ruras, os quas fazem parte, de um modo geral, de populações de baxa renda. Deve ser analsada dentro de uma estrutura que nclua a energa na agrcultura, num amplo panorama de desenvolvmento rural. (MUNASHINGHE, 1990) [1] A energzação rural deve ser consderada como um processo contínuo e ordenado do uso de energa para atender os requstos das atvdades doméstcas, de transporte, de servços e de produção, de manera a possbltar melhores condções de vda, assm como a qualdade e quantdade dos produtos gerados, em forma compatível com a necessdade da preservação produtva do meo ambente.( BEST et al, 1993) [2] Dentro desse contexto, há que se desenvolver tecnologas smplfcadas de construção de redes de dstrbução, que sejam capazes de reduzr custos e permtr que produtores de baxa renda tenham acesso a energa elétrca, possbltando assm, um maor desenvolvmento rural, quer sob o aspecto de mecanzação agrícola, quer sob aspectos econômcos, socas e culturas, corrgndo o desequlíbro sóco-econômco exstente, atualmente, entre as zonas rural e urbana. Condutores não convenconas, ou seja, condutores que, normalmente, não vnham sendo utlzados em redes de dstrbução de energa elétrca, como os condutores de aço zncado e de alumoweld, estão sendo empregados nas redes prmáras, prncpalmente em sstema MRT (Monoflar com Retorno pela Terra), com bom desempenho, reduzndo custos de nstalação e de manutenção da lnha rural, pos, devdo a uma carga de ruptura relatvamente maor que os condutores convenconas, permtem a redução da quantdade de estruturas da rede de eletrfcação rural. Portanto, embora esses condutores operem com capacdade de corrente nferor aos condutores convenconalmente usados, os mesmos estão sendo utlzados em novos programas de eletrfcação rural, em zonas de baxa densdade de carga, aproxmadamente, até 50kVA/km 2 e, em locas que apresentam topografa favorável, ou seja, em terrenos planos. A experênca braslera, no tocante a condutores de aço, é recente. O I Programa Naconal de Eletrfcação Rural, mplantado no

período de 1976 a 1980, abrangendo todos os estados da Federação, mostrou que o cabo de alumíno com alma de aço (CAA), btola 4 AWG, representava 90 % dos condutores, tanto em lnhas troncos como em ramas. O custo da eletrfcação rural consste no nvestmento adconal na nstalação de centras geradoras, nvestmentos nos crcutos de transmssão e dstrbução, custo das lgações das cargas ruras e custo da energa, o qual compreende a operação dos geradores e a contablzação das perdas nos crcutos de transmssão e dstrbução. (SABHARWAL, 1990) [3] No Brasl, a ELETROBRÁS desenvolveu um estudo sobre a utlzação dos condutores de aço zncado (CAZ), alumoweld (CAW) e alumíno lga (CAL) com expressvas vantagens econômcas no uso desses condutores alternatvos, prncpalmente no sstema MRT (Monoflar com Retorno pela Terra). (ELETROBRÁS, 1981) [4] Na seleção desses condutores não convenconas, levou-se em conta a rgdez mecânca, em face da maor facldade de manuseo, por ocasão de sua nstalação na obra e a escolha de btolas que pertencessem à lnha tradconal de fabrcação naconal, compatblzando-se, dessa manera, a lnha de produção ndustral de fos e cabos, com as necessdades da eletrfcação rural braslera. (ROSA, 1984) [5] O fo alumoweld é um fo de aço de alta resstênca recoberto com uma camada espessa de alumíno puro. É produzdo por processo de solda molecular controlada, uma técnca que assegura uma unão permanente entre os dos metas, sob todas as condções de trabalho. Tem resstênca à corrosão comparável à do fo de alumíno, um terço de sua condutânca e oto vezes a resstênca mecânca. Comparado com o fo de aço, ele tem a mesma resstênca à tração, porém apresenta condutânca muto maor. Comparando-se com o cobre, tomado como padrão, verfca-se que a condutvdade do alumoweld é de 20 %, enquanto que a do alumíno é de 60 % e a do aço zncado, em torno de 5%. Os cabos de alumíno lga (CAL) foram desenvolvdos para preencher a necessdade de um condutor econômco para aplcações aéreas onde são requerdas uma maor resstênca mecânca, maor que a obtda com condutor de alumíno (CA) e maor resstênca a corrosão que o cabo de alumíno com alma de aço (CAA). A seleção de condutores para as nstalações elétrcas de baxa tensão pode ser feta através de três crtéros prncpas: lmte de elevação de temperatura, valor da queda de tensão e densdade econômca de corrente, a qual é função do materal que é feto o condutor e do número de horas anuas que a máxma carga é transportada. Consderando-se que os condutores não convenconas têm resstênca ôhmca muto elevada, quando comparados com a do alumíno (CA), os fatores predomnantes que devem ser levados em conta na análse de custo desses condutores são, fundamentalmente, a queda de tensão e as perdas por efeto Joule. No cálculo da queda de tensão de um sstema de dstrbução rural, dos problemas devem ser consderados: o prmero, que a maora das cargas almentadas são monofáscas, lgadas entre lnha e neutro e o segundo, o desconhecmento da natureza exata da carga, seu fator de potênca e como se comporta com as varações de tensão. (BRICE, 1992) [6] A norma BS7450/IEC1059 - "Determnação da otmzação econômca da seção de cabos de potênca"- adota uma análse econômca baseada na mnmzação da soma do custo do captal e do custo captalzado das perdas de energa no sstema. Não aborda a questão da queda de tensão dretamente, embora esteja mplícto. (JONES, 1994) [7] DESENVOLVIMENTO Para o desenvolvmento deste trabalho adotou-se um sstema de dstrbução de energa elétrca em baxa tensão com topologa radal, nstalação aérea, crcuto monofásco. Os condutores consderados foram: alumíno (CA), têmpera H 19, encordoamento classe AA; aço galvanzado (CAZ), alto teor de carbono (0,30 a 0,85%), zncagem classe A, 215g/m 2, znco tpo HG-ASTM-6; alumoweld (CAW), aço com alto teor e carbono (0,30 a 0,85%), recoberto com alumíno; alumíno lga (CAL) 6201-T81, conforme especfcação ASTM B399. Fo utlzado um transformador de dstrbução, monofásco, tensão secundára 220/110V, fator de servço: 1,15. Foram consderadas estruturas tpo S1 e S2, conforme padrão da ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1982) [8], com postes de eucalpto, 9m de comprmento, com resstênca mecânca de 150daN a 20cm do topo. O número de varáves que nterferem na análse de custo de uma rede de energa elétrca é bastante elevado, e, embora, à prmera vsta estas varáves sejam faclmente dentfcadas, a estmatva dos seus valores, nem sempre é trval. Tomando-se por fundamental hpótese, que a seção do condutor será mantda unforme ao longo do trecho e que a quantdade de estruturas é a mesma para qualquer tpo de condutor analsado, o únco custo fxo que pode

varar está relaconado com o materal empregado na fabrcação do condutor. O custo total em valor presente pode ser determnado através da equação: CC / n CAP CAE / n CMO CT = (1) = 0 1+ j = 0 1+ j = 0 1+ j = 0 ( 1+ j) CT: custo total CC: custo do nvestmento no condutor CAP: custo anual de perdas CAE: custo de nvestmento em transformador, estruturas, soladores e ferragens CMO: custo anual de operação e manutenção n: tempo de vda útl dos equpamentos, em anos j: taxa anual de atualzação de nvestmento (CIPOLI, 1993) [9] O custo do condutor (CC) pode ser determnado pela equação: CC = CP. P (2) CC: custo de nvestmento no condutor, em US$ CP: custo do condutor por undade de peso P: peso do condutor, em kg O custo das perdas de energa no condutor, pode ser determnado através da equação CAP = EPTE. (3) CAP: custo das perdas, em US$ EP: energa perdda, em kwh TE: tarfa de energa elétrca, em US$ Tomando-se como referênca o cabo de alumíno (CA) e calculando-se o custo de energa dsspada, num certo ntervalo de tempo, pode-se determnar o custo das perdas de energa para os demas condutores. O custo de nvestmento em transformador, estruturas, soladores e ferragens (CAE) e o custo anual de operação e manutenção (COM), ndependem do tpo de cabo a ser nstalado e serão consderados constantes, para qualquer tpo de condutor. Sob estas hpóteses, o custo total (CT) será alterado pelos custos do condutor (CC) e das perdas de energa, e a equação (1) pode ser escrta como: CT CC / n CAP = ( j) = 0 1+ = 0 ( 1+ j) + C é constante e representa o custo de nvestmento em transformador, estruturas, soladores e ferragens e o custo anual de C (4) operação e manutenção. (RODRIGUES, 1995) [10] RESULTADOS E DISCUSSÃO Para obtenção dos resultados consderou-se um consumdor almentado em 220/110V, potênca nstalada e 5kVA, com fator de carga untáro e fator de potênca de 0,72, portanto, com uma corrente de projeto de 23A. Consderou-se vda útl da nstalação de 20 anos, valor resdual após vda útl de 20 anos, taxa de atualzação do nvestmento, 12% ao ano e período de estudo de 20 anos. Os custos, tanto de nstalação como de perdas, relatvos a cada ano do período de estudo, foram referdos ao níco do período, obtendo-se o valor presente. Os custos dos condutores, em US$/kg, estão ndcados na Tab. 1. Tabela 1 Custo untáro dos condutores* Condutor Custo (US$/kg) CA 4AWG 6,10 CAL 16mm 2 7,74 CAL 25mm 2 7,74 CAW 1x3,26mm 6,88 CAW 3x2,59mm 6,88 CAZ 1x3,09mm 0,18 CAZ 3x2,25mm 0,28 *Fonte: CIMEL Bauru-SP Para a obtenção do peso dos condutores fo consderada uma rede almentadora de 300m de comprmento, com btola constante ao longo do trecho, tanto para carga concentrada, quanto para carga unformemente dstrbuída. O peso dos condutores fo obtdo como dados dos fabrcantes. Os custos ncas dos condutores estão ndcado na Tab. 2 Tabela 2 Custo ncal dos condutores Condutor Custo (US$/kg) CA 4AWG 105,59 CAL 16mm 2 100,85 CAL 25mm 2 161,38 CAW 1x3,26mm 113,73 CAW 3x2,59mm 216,30 CAZ 1x3,09mm 3,18 CAZ 3x2,25mm 8,06 Na Tab. 3 estão ndcados os custos de perdas, no período de um ano, para os dversos condutores em estudo, consderando-se carga concentrada no fm do trecho e carga

unformemente dstrbuída. O valor da tarfa de energa elétrca para a área rural fo consderado em US$ 0,0591/kWh. Tabela 3 Custo de perdas, em um ano CAP (US$) CAP (US$) Condutor concentrada dstrbuída CA 4AWG 94,87 40,83 CAL 16mm 2 106,49 46,16 CAL 25mm 2 106,14 46,09 CAW 1x3, 26mm 286,10 124,05 CAW 3x2,59mm 277,41 120,07 CAZ 1x3,09mm 681,65 295,56 CAZ 3x2,25mm 636,56 276,06 Na Tab. 4 estão ndcados os custos totas, em valor presente, para os dversos condutores em estudo, consderando-se carga concentrada e carga unformemente dstrbuída. Tabela 4 Custo total, em valor presente CAP (US$) CAP (US$) Condutor concentrada dstrbuída CA 4AWG 831,22 385,74 CAL 16mm 2 933,05 428,35 CAL 25mm 2 955,45 453,08 CAW 1x3,26mm 2441,02 1085,12 CAW 3x2,59mm 2441,02 1094,95 CAZ 1x3,09mm 5736,57 2473,92 CAZ 3x2,25mm 5328,69 2312,83 O estudo da queda de tensão dos condutores em função do cumprmento, tanto para carga concentrada, quanto para carga unformemente dstrbuída, ndca que apenas três condutores, dentre os analsados, atendem o lmte da queda de tensão percentual máxma de 7%, recomendada pela ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1997) [11]. CONCLUSÃO Dentro desse contexto, analsando-se os resultados obtdos, verfca-se que o condutor de alumíno CA4 AWG é o que apresenta menor custo segudo dos condutores de alumíno lga CAL 25mm 2 e CAL 16mm 2. Além dsso, embora, o custo de mplantação dos condutores de aço zncado, seja muto nferor, quando comparados aos custos dos outros condutores, eles apresentam perdas muto altas e queda de tensão percentual muto além do permtdo por norma. Observa-se que na metodologa utlzada para a análse de custo, consderou-se constante o custo do nvestmento em transformador, estruturas, soladores e ferragens, assm como o custo anual de operação e manutenção, para todos os condutores em estudo. PALAVRAS CHAVES Eletrfcação rural, nstalações ruras, condutores não convenconas AGRADECIMENTOS Agradecemos ao Departamento de Engenhara Elétrca da Faculdade de Engenhara de Bauru UNESP. pela colaboração na elaboração desse trabalho. REFERÊNCIAS [1] MUNASINGHE M. Rural electrfcaton n the thrd world. POWER ENGINEERING JOURNAL. July 1990. p. 189-202 [2] BEST G., OYHANTÇABAL W. Energzacon para um dessarollo rural sostenble. In: XIV CONFERENCIA LATINO AMERICANA DE ELECTRIFICACION RURAL. 1993. Punta del Este, Uruguay. Anas. Tomo VII. Admnstracon naconal de Usnas y transmsones Eléctrcas. 1993. 3p. [3] SABHARWAL, S. Rural electrfcacon cost ncludng transmsson and dstrbuton losses and nvestements. IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION. Vol. 5. nº 3. 1990. p493-500. [4] ELETROBRÁS Dstrbução em alta tensão com retorno pela terra para áreas ruras. Departamento de Eletrfcação Rural. Ro de Janero, 1981. 47p. [5] ROSA, N.S. Condutores para a eletrfcação rural. In: SEMINÁRIO SOBRE ALTERNATIVAS PARA REDUÇÃO DE CUSTOS NA ELETRIFICAÇÃO RURAL. Recfe, 1984. Anas. Recfe. Superntendênca do Desenvolvmento do Nordeste. Companha de Eletrcdade de Pernambuco, 1984. 124p. [6] BRICE, C.W. Voltage drop calculatons and power flow studes for rural electrc dstrbuton lnes. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS. Vol. 28, nº 4. 1992. p 774-784 [7] JONES, K.M. Aspectos econômcos no dmensonamento de cabos de baxa tensão. Eletrcdade Moderna, nº 241. 1994. p 64-67 [8] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR5483/82. Redes de

dstrbução aérea urbana de energa elétrca. Ro de janero, 1982. 113p. [9] CIPOLI, J.A. Engenhara de dstrbução. Qualtymark Edtora. Ro de janero. 1993.241p [10] RODRIGUES, R.M. Uso de condutores não convenconas em nstalações elétrcas ruras. Botucatu: UNESP, 1995. 100p. Tese (Doutorado em Agronoma). Faculdade de Cêncas Agronômcas. Unversdade Estadual Paulsta. 1995. [11] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR5410/97. Instalações elétrcas de baxa tensão. Ro de Janero, 1997. 164p.