A Concepção Mais Econômica de Rede Rural
Renzo D. Spedicato1 e Geraldo R. de Almeida2
Resumo – A principal característica da rede rural é alimentar
um consumidor de pequena carga a longa distancia. Decorrente desta característica o sistema de distribuição torna-se de
grande esparcidade e alimentadores muito longos. Assim, a
concepção mais econômica destas redes deverá conter duas
características essenciais: (1) Condutores de seções reduzidas,
pois as cargas são pequenas e (2) Condutores com cargas de
rupturas elevadas, pois é necessário reduzir o número de estruturas. Os condutores disponíveis no estado atual da arte quando satisfazem uma das características acima prejudica a outra.
Por exemplo, o aço zincado que possui elevada carga de ruptura mecânica possui péssima resistividade elétrica. Os condutores ACSR que possui ótima resistividade elétrica possui baixa
carga de ruptura. Deste modo apresenta-se um “Gap” notável
para INOVAÇÃO TECNÓLIGA, onde a meta seria um condutor que pudesse agregar os dois requisitos essenciais sem penalização das propriedades desejadas. O objetivo deste trabalho é
apresentar a inovação tecnológica trazida pelos condutores
bimetálicos de aço-alumínio, denominados neste País de
ALUMOSTEEL, que conjugam as propriedades mecânica e
elétrica para a consecução da rede rural mais econômica.
Palavras-chave — Bimetálico, alumínio, aço, aço-alumínio,
rede rural, condutor, Alumosteel®, linha elétrica, energia elétrica.
I. INTRODUÇÃO
A rede de distribuição de energia elétrica no meio rural é
praticamente semelhante à utilizada no meio urbano. A diferença entre elas está na dimensão das cargas. No ambiente
urbano, as cargas são muito mais concentradas e de valores
altos. No meio rural, elas são mais esparsas e de valores bem
menores.
A tecnologia atual de condutores elétricos utilizados na
rede rural resulta em sobre uso de material na rede; seja ele
excesso de peso na linha ou quantidade desnecessária de
material condutor, geralmente alumínio.
O presente trabalho tem por objetivo apresentar uma nova
tecnologia em condutores elétricos que possibilita eliminar o
sobre uso de material na rede e permite elaborar uma Concepção Mais Econômica de Rede Rural.
Desta composição básica de custos, os equipamentos e a
isolação são dependentes da tensão do sistema (geralmente
13,8 kv entre fases), o que dificulta a redução do investimento inicial. O projeto e a construção da rede elétrica estão diretamente ligados à mão de obra, e portanto, o custo
dessas estruturas não depende da tecnologia. Além disso
vale ressaltar que as estruturas citadas dependem de alguns
fatores como:
• o peso dos condutores;
• as flechas admissíveis;
• os esforços aplicados aos condutores e,
• variáveis ambientais.
Portanto, a possibilidade mais fácil e viável para redução
de custos em uma rede elétrica rural é justamente nos condutores.
III. AS ALTERNATIVAS EXISTENTES
Atualmente, os condutores mais utilizados na eletrificação rural são os cabos de alumínio com alma de aço (cabos
ACSR) e fios e cordoalhas de aço galvanizados.
Os ramais de redes rurais em média tensão são alimentados por correntes estacionárias consideradas baixas, da ordem de 5 ampéres, enquanto os seus alimentadores podem
chegar a cerca de 15 ampéres. Com estas condições de operação, o parâmetro elétrico que determina a escolha do condutor passa a ser o “Comprimento máximo do alimentador
por queda de tensão”, ficando submetidos à ele todos os
outros parâmetros.
Nestas circunstâncias os cabos ACSR passam a ter um
notável sobre uso de material condutor. Os cabos ACSR
podem ser considerados condutores com 53% de condutividade IACS como demonstra a figura abaixo:
II. OS CUSTOS DE UMA REDE ELÉTRICA RURAL
A rede de distribuição de energia elétrica rural tem a seguinte formação básica de custo:
20.
Como já foi citado anteriormente a corrente elétrica de
ramais e de alimentadores rurais é muito baixa. Portanto,
uma solução mais econômica seria usar um material condutor com maior resistência mecânica, como por exemplo um
aço galvanizado para fins elétricos, que possui condutividade elétrica equivalente a 8% IACS.
30.
50.
Equipamentos e Isolação
Figura 2. Condutividade elétrica IACS equivalente dos cabos ACSR
Projeto e Construção
Condutores
Figura 1. Custos Básicos de uma Rede Elétrica Rural
V. O PRODUTO ALUMOSTEEL®
Figura 3. Condutividade elétrica IACS equivalente das cordoalhas de aço
galvanizada
Neste momento é necessário lembrar que um material
com alta resistência elétrica deve ter as seguintes características próprias:
• A seção transversal do condutor, por exemplo, tem
que ser maior;
• O peso do condutor, muito maior;
• Tanto a resistência mecânica calculada quanto a resistência elétrica em alternada devem ser bem maiores.
• E as correntes estacionárias e de curto, além do
comprimento do alimentador, muito menores.
Portanto, verifica-se que o aço galvanizado, mesmo sendo
mais econômico que os cabos ACRS, não pode ser considerado o material ótimo para a construção de linhas elásticas
condutoras de corrente para a rede rural. Apesar de ser um
material de baixo custo para prover resistência elétrica, ele
gera um sobre uso de material decorrente do excesso de
peso na rede, e pode ainda provocar um grande aumento das
perdas térmicas (perdas joule), decorrente da alta resistência
elétrica.
Dessa forma, é possível verificar que não existe uma solução ótima nos extremos da condutividade elétrica, de 8% e
53% IACS, que compreende os condutores elétricos de aço
galvanizados e os cabos ACSR.
IV. A NOVA ALTERNATIVA
Para resolver a questão do sobre uso de material, seja ele
excesso de peso na linha ou então quantidade desnecessária
de material condutor, é preciso um material um pouco mais
complexo, um material conjugado, que tenha propriedades
elétricas de um alumínio (leve e condutor) e que, ao mesmo
tempo, tenha características mecânicas do aço, para suportar
a linha elástica. É importante ressaltar que este material conjugado deve conter também a quantidade necessária de alumínio para satisfazer o critério “Comprimento máximo do
alimentador por queda de tensão”.
Este material conjugado é o ALUMOSTEEL®, condutor
de aço revestido por uma camada de alumínio. A camada
pode variar de 10 a 60% do raio externo do condutor, o que
permite ao mesmo conservar as propriedades mecânicas do
aço e agregar as características elétricas do alumínio, otimizando assim o uso dos dois materiais. É possível portanto
caminhar entre os extremos da condutividade, 8% a 53%
IACS, variando apenas a camada de alumínio sobre o aço
conforme o desejado.
Agora, “A Nova Concepção de Rede Rural” pode ser desenhada com o novo material conjugado. Para alimentadores longos, projeta-se o condutor com a máxima condutividade. Para alimentadores curtos pode-se utilizar a menor
condutividade. Entre esses dois extremos existem outras
possibilidades de condutividade elétrica que podem ser ajustadas de acordo com a rede.
O condutor bimetálico ALUMOSTEEL® é um material
conjugado com dois metais solidários no mesmo tento, cada
um com propriedades específicas. Um dos materiais é o aço,
o que confere ao condutor elevado módulo de elasticidade e
elevada resistência mecânica. O outro material é o alumínio,
um bom condutor elétrico quem envolve o elemento mecanicamente resistente.
Figura 4. Condutor ALUMOSTEEL
®
Os fios ALUMOSTEEL® são produzidos pela técnica conhecida como revestimento por extrusão contínua, como
mostra a figura abaixo.
Figura 5. Procedimento de extrusão contínua do alumínio sobre o aço
Um fio cilíndrico de aço, com diâmetro conveniente, é
trefilado, livre de qualquer impureza. Sobre este fio é realizada uma limpeza adicional para o material receber o revestimento de alumínio, em uma camada suficiente para a resistividade especificada.
Enquanto isso um vergalhão de alumínio, após também
passar por um processo de limpeza, sofre uma determinada
pressão entre o rolo de cunhagem e o canal da roda, e depois
passa por uma sapata pré-aquecida. Dessa forma ele é aquecido tanto por atrito como eletricamente, atingindo um estado de quase fusão, em uma forma pastosa.
Quando se dá o encontro dos dois vergalhões, o alumínio
é extrudado em volta do vergalhão de aço por uma ferramenta presente dentro do bloco de extrusão, que delimita a
espessura da camada de alumínio em volta do aço, formando o condutor chamado ALUMOSTEEL®. O fio de material CONJUGADO ALUMOSTEEL® será então trefilado
para a bitola desejada.
Ao final, a aparência do material é de um fio de alumínio,
mas a essência dele é composta por um material
CONJUGADO: no centro, existe aço, e, na casca, alumínio.
Tudo isso para prover propriedades mecânicas e elétricas
em um condutor que atuará como CABO SUSPENSO.
Os condutores ALUMOSTEEL® podem ser fabricados em diferentes condutividades, como mostra a figura ilustrativa
abaixo.
Figura 6. Condutividades IACS possíveis dos condutores
®
ALUMOSTEEL
Cada condutividade possui uma composição específica
em proporção de área para os dois metais, o aço e o alumínio.
---------------
20%
IACS
30%
IACS
40%
IACS
47%
IACS
53%
IACS
Área do Alumí24 %
42 %
62%
73 %
85 %
nio
Área do
76 %
58 %
38 %
27 %
15 %
Aço
Raio do Alumí13 %
24 %
38 %
48 %
61 %
nio
Raio do
87 %
76 %
62 %
52 %
39 %
Aço
Peso de Alumí10 %
20 %
36 %
48 %
66 %
nio
Peso de
90 %
80 %
64 %
52 %
34 %
Aço
®
Tabela 1. Proporção dos metais nos condutores ALUMOSTEEL
Os condutores ALUMOSTEEL® podem ser compostos em
formação sólida (1 fio), formação 3 fios e formação 7 fios.
Figura 7. Formação típica dos condutores ALUMOSTEEL
edade mecânica do material conjugado. E a linha
ELÉTRICA, a propriedade elétrica do mesmo material.
Portanto, os condutores ALUMOSTEEL® surgem como
nova alternativa para condutores de linha elétrica para rede
rural pode provocar uma substancial economia para a rede.
O “efeito dominó” se aplica neste caso: se o sobre uso é
eliminado com substancial redução do peso da linha elástica, as estruturas serão mais leves ou reduzidas, e, se houver
redução do número de estruturas, o número de isoladores e
de materiais agregados será também menor. Dessa maneira,
a escala desse resultado afeta de modo significativo a quantidade de mão de obra.
A conclusão que se pode ter é que, com o material
ALUMOSTEEL®, se consegue reduzir o sobre uso de material nas linhas elétricas rurais, seja ele alumínio ou aço.
VI. OS ACESSÓRIOS
O ALUMOSTEEL® foi projetado de forma que obtivesse
o melhor desempenho elétrico e mecânico em uma rede elétrica, aliando de maneira satisfatória as melhores propriedades que cada metal componente, o aço e o alumínio, pode
oferecer.
As conexões e acessórios à ele pertinentes, são de fácil utilização, e semelhantes aos já utilizados em cabos de alumínio e cabos ACRS, assim como conectores cunha, luvas
de emenda, conectores de derivação, entre outros.
®
No gráfico a seguir é possível verificar o balanço das
propriedades elétricas e mecânicas do condutor bimetálico
de aço-alumínio:
Figura 9. Alguns conectores pertinentes aos condutores ALUMOSTEEL
®
VII. A CONCEPÇÃO MAIS ECONÔMICA DE REDE RURAL
Após apresentar uma nova alternativa aos condutores
para linhas elétricas de rede rural, é possível demonstrar
“A Concepção Mais Econômica de Rede Rural”.
Figura 8. Balanço das propriedades elétricas e mecânicas do condutor
®
ALUMOSTEEL
O eixo das abscissas descreve a propriedade elétrica da
condutividade da seção transversal do condutor. O eixo das
ordenadas mostra a porcentagem da resistência mecânica
calculada da mesma seção transversal. A linha assinalada
com o nome MECÂNICA descreve o decaimento da propri-
Condutor
Peso
Carga
Corrente
à 75°C
CQT %
Cobertura
-
kg/km
daN
A
%ΔV/MVA.KM
m/Ton
SWAN
85
814
164
2,58
11.765
1N5 53% EHS
58
480
124
3,74
17.216
1N5 47% EHS
68
641
117
4,18
14.641
1N5 40% EHS
78
1.018
108
4,88
12.876
1N5 30% EHS
95
1.271
94
6,39
10.561
1N5 20% EHS
110
1.911
77
9,41
9.090
CAZ 3 x 2,25
94
1121
55
34,59
10.638
Tabela 2. “A Concepção Mais Econômica de Rede Rural”
Como podemos ver na tabela grifados em vermelho, atualmente existem apenas os 2 extremos da condutividade
elétrica como alternativa para o condutoramento da rede
rural; o cabo ACSR Swan e a Cordoalha de aço galvanizada.
Com a tecnologia do ALUMOSTEEL® é possível abrir
um grande leque de alternativas entre os extremos. No caso
em questão este conjunto poderá ter até 5 condutores Alumosteel, diferentes na quantidade de material condutor (Alumínio), mas com mesmo diâmetro.
Esta nova concepção de rede rural permite utilizar um único conjunto de acessórios (alças, conectores, etc). A melhor alternativa para sua rede elétrica resulta exclusivamente
do sistema, pois a escolha de cada condutividade dependerá
apenas da distância da carga em relação à subestação e que
poderá ser resolvida através do CQT (Coeficiente de Queda
de Tensão).
Note ainda, que a cobertura em metros por tonelada de
condutor é sempre maior que os valores dos extremos.
VIII. A VANTAGEM DA UTILIZAÇÃO DOS CONDUTORES
ALUMOSTEEL®
Os condutores ALUMOSTEEL® trazem um ganho tecnológico que possibilita uma significativa redução de custo na
rede, como será descrito abaixo.
•
Amplo espectro de utilização – os condutores
ALUMOSTEEL® possuem uma grande gama de utilização em diversas áreas da transmissão e da distribuição.
•
Compatibilidade com a rede – os fios e cabos
ALUMOSTEEL® foram projetados para oferecer
total compatibilidade com as redes que utilizam cabos de alumínio (CA ou CAL) ou alumínio com
alma de aço (CAA). Todos os acessórios e conexões utilizados para os anteriores são compatíveis
com esta inovação.
•
Flexibilidade de fabricação – o condutor é confeccionado de acordo com a necessidade do cliente,
sem sobre uso de material.
•
Diminuição do custo do condutor – a eliminação de
sobre uso de material na rede, proporciona uma notável economia.
•
Aumento dos vãos da linha – o comprimento do
vão depende da flecha estabelecida e da relação peso/carga de ruptura do cabo. Se eliminado o sobre
uso de material, os vãos poderão ser aumentados
devido à redução de peso da linha.
•
Alta resistência à corrosão – a camada de alumínio, de no mínimo 10% do raio total, garante resistência à corrosão do aço presente no condutor.
•
Aumento da temperatura de operação do condutor
– o ALUMOSTEEL® é um material conjugado onde aço e alumínio operam de modo solidário. Em
face desta característica, a sua temperatura de funcionamento é superior à aquela dos materiais
ASCR.
•
Material não furtável – devido à sua constituição
conjugada e inseparável, o condutor bimetálico
ALUMOSTEEL® desestimula a prática de furtos.
IX. CONCLUSÃO
As novas tecnologias aplicadas aos condutores de transmissão e distribuição de energia elétrica permitem reduções
significativas de custos sem afetar o desempenho elétrico e
mecânico de uma linha. Além da diminuição do desembolso
inicial para aquisição de condutores, os condutores
ALUMOSTEEL® podem proporcionar outras formas de
redução de custos, como a diminuição da quantidade de postes necessários e/ou o afastamento dos mesmos (condutor
mais leve), redução do estaiamento, aumento da linha elástica da linha e desestímulo da prática de furtos.
As concessionárias de energia elétrica buscam cada vez
mais reduções dos custos de produção de energia elétrica,
visando à diminuição do custo do kilowatt hora para o consumidor final. Os condutores bimetálicos, tendo em vista os
resultados anteriormente apresentados, representam uma
opção para uma significativa economia no desembolso inicial para condutores e conseqüentemente a redução dos custos
do kilowatt hora.
O trabalho em questão abordou apenas um caso específico
de distribuição primária rural, mas este estudo pode ser estendido para as demais áreas da distribuição e entrar inclusive no campo de transmissão de energia elétrica.