TRABALHO DE DIPLOMA – DEZEMBRO DE 2005
INSTITUTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
A TECNOLOGIA E AS NOVAS APLICAÇÕES TÉCNICAS DE CONDUTORES
BIMETÁLICOS EM SISTEMAS DE POTÊNCIA
Fernando Marcançola – no. 10264
Renzo Degiovanni Spe dicato – no. 10380
Orientador: Prof. Manoel Luis Barreira Martinez
Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE)
Abstract – Este trabalho tem por objetivo
apresentar
a
tecnologia
dos
condutores
bimetálicos
utilizados
na
transmissão
e
distribuição de energia elétrica, assim como as
novas apl icações técnicas para o mesmo, depois do
desenvolvi mento
da
tecnologia
bimetálica

Alumoweld ou aço-aluminio ou alumosteel. O
condutor bimetálico pode reunir características
técnicas e econômicas interessantes em um só
produto, como por exemplo, combinar as ótimas
propriedades mecânicas do aço com as ótimas
propriedades elétricas do cobre ou alumino. Dessa
maneira, pode -se fazer um upgrade tecnológico
substituindo alguns tipos de condutores utilizados
atualmente por este novo. Este trabalho então,
também mostra a viabilidade técnico-econômica
desta nova opção em cada caso possível.
Palavras-chave-Bimetálico, Aço, Cobre, Alumínio,
Condutores, Energia Elétrica, Alumosteel.
I INTRODUÇÃO
Os condutores bimetálicos (aço-cobre ou açoaluminio) foram concebidos para otimizar duas
funções de condutores aéreos nus para redes e linhas
de T&D (Transmissão e Distribuição) de energia
elétrica: (1) O condutor elétrico (cobre ou alumínio)
e (2) O elemento mecânico resistente (aço), com a
eliminação da camada anticorrosiva de zinco
normalmente usados nos elementos mecânicos de
aço. A grande aplicação foi à substituição dos
condutores de cabo guarda (normalmente cabos de
aços zincado). Neste caso os condutores bimetálicos
acrescentavam a melhoria da redução da componente
de sequência zero, consequentemente melhoria do
desempenho da proteção do sistema.
A introdução de redes protegidas na dis tribuição
de energia elétrica, a grande ampliação da
eletrificação rural, a substituição dos cabos guarda
por cabos do tipo OPGW, as aplicações em áreas
submetidas à corrosão e ataque químico ambiental e
mais recentemente a incidência de roubos de neutro
BT tem trazido novas oportunidades de implantação
de condutores bimetálicos, principalmente os de
Aço-Alumínio.
A seguir apresenta-se a tecnologia de produção do
condutor bimetálico de aço-alumínio. Posteriormente, mostra-se a tecnologia presente no condutor
Alumosteel e suas inovações técnicas. Discussão das
possibilidades e as aplicações tecnológicas destes
condutores para a rede primária rural em comparação
com a tecnologia já existente, assim como as
vantagens do upgrade tecnológico.
II A TECNOLOGIA DE PRODUÇÃO DO
CONDUTOR BIMETÁLICO DE AÇO-ALUMÍNIO
O condutor bimetálico é um material conjugado
com dois metais solidários no mesmo tento cada um
com propriedades específicas. Um dos materiais
geralmente é aço, o que confere ao condutor elevado
módulo de elasticidade e elevada resistência mecânica. O outro material é um bom condutor elétrico
envolvendo o elemento mecanicamente resistente.
Algumas vezes o material condutor pode
incorporar a propriedade de resistência à corrosão
galvânica, como é o caso do alumínio.
Os materiais condutores geralmente utilizados são
o cobre e o alumínio, pois são os materiais presentes
nas linhas de transmissão e distribuição de energia
elétrica.
Os condutores bimetálicos de aço-alumínio em
questão neste trabalho são produzidos pelo processo
de extrusão de alumínio sobre o fio de aço, o que
confere perfeita aderência do metal condutor
(alumínio) no metal mecanicamente resistente (aço).
1
uma inovação tecnológica recente em nosso país, e
porque possuem uma grande gama de aplicações e
soluções para as linhas de transmissão e distribuição
de energia elétrica.
Fig. 1 – Condutores de aço-cobre e aço-alumínio
II.1
Extrusão
III.1
Definição: Passagem forçada de um metal ou de um
plástico através de matrizes, por pressão, a fim de se
obter uma forma alongada ou filamentosa.
Os fios alumosteel atualmente são produzidos pela
técnica de revestimento por extrusão (vide fig. 2).
Quando se dimensiona um condutor de energia
elétrica, uma das características mais importantes é a
resistividade ( ρ ), pois está relacionada com a
condutividade do material. Isso é determinado de
acordo com o projeto elétrico em questão, e
influenciado também pelo critério de ampacidade da
linha.
A tecnologia do fio bimetálico permite calcular a
resistividade do condutor de acordo com a área da
seção transversal de cada um dos metais do material
bimetálico. Esse cálculo é dado pela seguinte
equação:
ROLO DE
CUNHAGEM
VERGALHÃO
ALUMINIO
SAPATA
CANAL DA
RODA
AÇO
BLOCO DE EXTRUSÃO
ALUMOSTEEL
ρ bimet =
Fig. 2 – Extrusão do alumínio no aço.
O fio de aço-aluminio utiliza o processo chamado
CONCLAD. O vergalhão de alumínio sofre uma
determinada pressão entre o rolo de cunhagem e o
canal da roda, e depois passa por uma sapata préaquecida. Dessa forma ele é aquecido tanto por atrito
como eletricamente, atingindo um estado de quase
fusão, em uma forma pastosa.
O aço, após passar por uma limpeza ultra-sônica, é
pré-aquecido por um sistema de aquecimento
indutivo antes de entrar no bloco de extrusão.
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. A figura 3 representa um
esquemático de toda a linha de processo CONCLAD.
Aço
Alumínio
SAE 1010/50/70
Liga 1350
Limpeza
Propriedade Elétrica
A partir da resistividade desejada para o condutor
bimetálico, pode-se chegar ao valor da área da seção
transversal de material condutor que o mesmo deve
ter. Sabe-se que a área total do condutor é dada por:
S m + S aço = A
Aquecimento
Indução RF
Elétrico/Atrito
(2)
Equação 2 – Área total do bimetálico
Finalmente, substituindo a equação 2 em 1 tem-se:
 ρ aço − ρ bimet 


(3)
ρ bimet  ρ aço − ρ m 
Equação 3 – Área da seção transversal do material
condutor.
Sm = (A)
ρm
Neste momento, é necessário apresentar o conceito
de Condutividade IACS de um condutor de energia
elétrica.
Condutividade 100% IACS corresponde a uma
função da resistividade do cobre eletrolítico, no valor
de 17,241 O.mm²/km na temperatura de 20°C,
quando medido em corrente contínua. Assim, é usual
considerar a condutividade de um material condutor,
comparando com a propriedade elétrica condutora do
cobre.
No material bimetálico, a condutividade IACS
então, está diretamente relacionada com a espessura
de material condutor presente. Para exemplificar, seja
o caso do condutor de aço-alumínio, para o qual essa
propriedade é verificada. Os valores de
condutividade IACS utilizados abaixo são os
comumente usados para especificação deste
condutor.
Escovação
Aquecimento
(1)
Equação 1 – Resistividade do Bimetálico
Onde Sm e ρ m são, respectivamente, a área da seção
transversal do material condutor e sua resistividade.
Limpeza
Ultrasônica
S m + S Aço
S
Sm
+ Aço
ρm
ρ Aço
Extrusão
Resfriamento
Fig. 3 – Linha de processo CONCLAD
III A ENGENHARIA E TECNOLOGIA DO FIO
BIMETÁLICO
Para entender a tecnologia do fio bimetálico, é
preciso primeiro entender a engenharia presente
nesses condutores. No presente trabalho é dado
ênfase nos condutores aço-aluminizados por serem
2
R
IACS
20%
27%
30%
40%
R
AÇO
Al
R/R
10%
14%
15%
25%
f aço
Além de ser submetido a uma força axial de tração,
o condutor também está submetido a uma flecha, que
se forma quando o mesmo está em um vão apoiado
em dois pontos, e então é submetido a um
carregamento em toda sua extensão. No caso de
condutores de energia elétrica, esse carregamento é
constituído do próprio peso do cabo e conexões ou
acessórios presentes. O conceito de flecha é mostrado
na figura 7.
L
Uma comparação da resistência por unidade de
comprimento do fio Alumosteel 53% IACS de
condutividade comparado com outros fios usuais está
ilustrado na figura 5.
100%
Resistência Percentual IACS
(4)
Equação 4 – Força axial exercida no condutor de aço.
Onde Eaço é o módulo de elasticidade do aço e Ea é o
módulo de elasticidade do alumínio.
Fig. 4– Condutividade IACS e sua relação com a
quantidade de material condutor (Alumínio).
100%
80%
61%
60%
S aço E aço
l
= F
S a E a S aço E aço
+
l
l
53%
T
40%
V
f
H
20%
8%
0%
Cobre
Alumíno
Alumosteel
53% IACS
Condutores
Aço
Fig. 7 – Flecha de um condutor.
Fig. 5 – Resistência percentual do fio Alumosteel
III.2
A flecha de um condutor bimetálico é calculada
conforme mostra a Equação 5.
Propriedade Mecânica
f =
O aço, presente no interior do condutor, confia ao
mesmo resistência mecânica à esforços de tração e
flecha.
A resistência mecânica conferida ao condutor
Alumosteel é proveniente do tipo de aço utilizado
para a fabricação do condutor. Esta propriedade é
função direta da quantidade de carbono presente.
Portanto, para confeccionar um condutor Alumosteel
com maior resistência mecânica à tração utiliza-se
um aço com maior quantidade de carbono.
Comercialmente, para utilização em condutores
elétricos, são empregados aços que variam desde
0,1% (chamado de SAE 1010) até 0,7% (SAE 1070)
de carbono em sua composição química.
Os esforços mecânicos em um condutor
bimetálico, se repartem proporcionalmente ao
produto da área pelo módulo de elasticidade,
apresentado na figura 6.
W
H
 L2 


 8 
(5)
Equação 5 – Flecha de um condutor.
Onde W é o peso do condutor por unidade de comprimento
e H é a componente horizontal da tração no cabo.
A figura 8 mostra uma comparação entre a
resistência mecânica do fio Alumosteel 20% de
condutividade IACS em comparação com outros
tipos de fios usuais.
150
Tensão de Ruptura [Kgf/mm2]
150
140
125
100
75
50
25
42
20
0
l
Alumíno
f
a
F
Cobre
Alumosteel
20% IACS
Aço
Condutor
Fig. 8 – Comparação da tração entre fios
Fig. 6 – Esforços Mecânicos no Bimetálico
Além de boa resistência mecânica, os condutores
bimetálicos de aço-alumínio possuem uma boa
relação peso/quilômetro (kg/km), o que proporciona
uma redução do peso da linha em comparação com
outros condutores. A figura 9 abaixo mostra essa
característica (Alumosteel 20% , 40% e 53% de
condutividade IACS):
Deste modo, é possível verificar que o aço, por
ocupar a maioria da seção d o condutor, é o maior
responsável pela resistência às cargas mecânicas as
quais o material pode ser submetido. Assim, podemos definir a força axial no condutor de aço como:
3
80
74
dimensionamento para a rede.
- Aumento da linha elástica da rede: A alma de aço
presente no condutor proporciona resistência mecânica ao mesmo e permite um aumento da linha
elástica da rede se comparado aos cabos CAA já
utilizados, possibilitando um ganho em quilômetro
com a mesma quantidade em peso de material.
- Diminuição do peso do condutor: A substituição
de Cabos CAA (6 fios de alumínio mais 1 de aço) por
fios e cabos Alumosteel, pode proporcionar uma
redução de até 35% em peso de condutor, sem perdas
nas propriedades elétricas e mecânicas, podendo
gerar economia em demais componentes da rede.
- Diminuição do custo do condutor: O custo deste
condutor, por ser mais leve, pode ser cerca de 30%
mais barato que os condutores atualmente utilizados
se comparado o preço por quilômetro.
- Resistência à Corrosão: Os fios e cabos
alumosteel são altamente resistente à corrosão devido
sua espessa cobertura em alumínio; o que impede o
contato de agentes oxidantes com o aço.
- Material não furtável: Devido à sua constituição
inseparável, os fios e cabos Alumosteel possuem
baixo valor comercial como sucata, o que
desestimula os furtos.
- Possibilidade de aumento da temperatura de
operação do condutor: Os condutores bimetálicos
do tipo AS são materiais conjugados (aço – alumínio)
que formam uma linha elástica de dois materiais
solidários: um sistema mecano – elástico perfeitamente acoplado. Por isso, pode-se dizer que este
sistema possui um único módulo de elasticidade, um
único coeficiente de dilatação linear e uma única
carga de ruptura, pois apesar serem dois materiais
mecanicamente
diferentes,
as
propriedades
volumétricas são únicas.
Assim, pode-se usufruir de uma temp eratura de
funcionamento maior que as tradicionais temperaturas dos condutores CAA (75°C) - No caso em
questão a temperatura de um condutor Alumosteel
pode chegar até 125°C. Este benefício não pode ser
usufruído no caso de cabos CAA tradicionais, pois o
aço e o alumínio estão mecanicamente desacoplados,
e então o coeficiente de dilatação linear é diferente
para o aço e o alumínio fazendo com que o cabo
CAA apresente fluência mecânica.
66
Massa [Kg/Km]
60
54
40
40
29
23
20
0
Cobre
Aço
Alumosteel Alumosteel Alumosteel
20% IACS 40% IACS 53% IACS
Alumíno
Condutor de 3,26 mm de Diâmetro - 8 AWG
Fig. 9 – Massa do fio alumosteel comparada com a de
outros fios por quilômetro.
Para finalizar, a tabela mostrada na figura 10
mostra uma comparação que ilustra as variações das
propriedades elétricas em função das variações das
propriedades mecânicas.
Fig. 10 – Propriedades Elétricas vs. Propriedades
Mecânicas do condutor alumosteel.
IV TECNOLOGIA DE APLICAÇÃO DO
ALUMOSTEEL
Os condutores de aço-aluminínio possuem uma
grande gama de aplicações nos sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica. Na
distribuição, podem ser utilizados nas redes primárias
e secundárias nuas – em substituição aos cabos CAA
(cabo de alumínio com alma de aço); redes primária e
secundária multiplexada – em substituição aos
condutores de alumínio liga geralmente utilizado
como neutro neste caso; rede secundária compacta –
também em substituição aos cabos CAA. Na transmissão, podem também substituir os cabos CAA.
Além disso, pode-se utilizar o Alumosteel para
estaiamento de postes, neutro baixa tensão, neutro
urbano, neutro mensageiro, mensageiro spacer,
aplicações aonde é necessário cabos resistentes à
corrosão, cabos termo -resistente, entre outros.
IV.1
IV.2
Aplicação de condutores de
aço-alumínio.
Este trabalho já mostrou que as aplicações dos condutores Alumosteel são diversas. Portanto será feita
uma demonstração da especificação deste condutor
para a Rede Primária Rural, que geralmente utiliza
cabos CAA com 7 fios (6 fios de alumínio com 1
alma de aço) tanto para as fases e como para o
neutro. Essas redes utilizam geralmente os seguintes
tipos de cabos CAA: Quail (2/0 AWG); Raven (1/0
AWG); Robin (1 AWG); Sparrow (2 AWG) e Swan
(4 AWG), com maior destaque e quantidade para
esses dois últimos.
Vantagens da utilização dos condutores
Alumosteel.
A tecnologia do condutor de aço-alumínio permite
agregar vantagens técnicas e econômicas em relação
aos condutores existentes atualmente como a seguir:
- Otimização da superfície condutora: Substituição
do sobre-uso de alumínio nos Cabos CAA por uma
superfície condutora de alumínio de correto
4
Para esta especificação é utilizado um modelo de
oito (8) parâmetros, largamente utilizado na determinação dos condutores de energia elétrica para
transmissão e distribuição de energia. São comparadas as características dos condutores confrontados
fazendo uma simples análise econômica para
determinar a viabilidade do condutor Alumosteel.
IV.2.1
melhor desempenho elétrico. A partir destas
considerações, pode-se determinar qual o melhor
condutor Alumosteel para cada um dos 5 tipos de
cabos CAA citados anteriormente.
IV.2.1.1
Alumosteel em substituição ao cabo CAA
Quail (2/0 AWG)
A sugestão em condutor aço-aluminizado para a
substituição eletricamente equivalente ao cabo CAA
Quail é a formação sólida de 53% de condutividade
IACS na bitola 2/0 AWG (1N00). Abaixo seguem os
8 parâmetros para os dois cabos em questão.
Modelo de oito parâmetros
O modelo de oito parâmetros utilizado para a
especificação de condutores de energia elétrica,
utiliza -se de 4 características mecânicas e 4 elétricas
para a determinação do condutor ideal. Os parâmetros utilizados para a especificação do condutor são:
Cabo CAA Quail – 2/0 AWG
Diâmetro
(mm)
11,34
Rcc à 20º C
em O
0,426
- Mecânicos: Diâmetro; Seção Transversal; Peso por
Quilômetro e Carga de Ruptura.
- Elétricos: Rcc à 20ºC (Resistência em corrente
contínua à 20ºC); Ica 75ºC (capacidade de corrente à
75ºC) e a 125ºC (no caso dos condutores
Alumosteel); Icc em 1s (Corrente de curto-circuito
em 1 segundo) e CQT% (Coeficiente de Queda de
Tensão em %);
Seção
(mm 2)
78,65
Ica 75ºC
em A*
335
Peso
(kg/km)
273
Icc
em 1s**
7079
Carga de
Ruptura (kgf)
2410
CQT%
em %***
1,17
Condutor Sólido Alumosteel 53% IACS
1N00 – 2/0 AWG - ALTERNATIVO
Diâmetro
(mm)
9,27
Rcc à 20º C
em O
0,482
Dessa maneira, a partir destes oito parâmetros,
pode-se comparar as características dos cabos CAA
atualmente utilizados com o condutor em Alumosteel
mais específico para este caso.
Primeiramente é preciso determinar qual a condutividade IACS dos condutores CAA; como ele é
formado por 6 condutores de alumínio (o qual possui
61% de condutividade IACS) mais 1 condutor de aço
(o qual possui 8% de condutividade IACS) tem-se:
6 x 61% + 1x8% = 53% IACS
(6)
7
Seção
(mm 2)
67,46
Ica75/125ºC
em A*
298/3 99
Peso
(kg/km)
236
Icc
em 1s**
6065
Carga de
Ruptura (kgf)
1602
CQT%
em %***
1,33
Tabela 1 – Modelo de Oito parâmetros para o cabo CAA
QUAIL – 2/0 AWG e para o Fio Sólido AS – 1N00 –
2/0 AWG alternativo.
Redução de Peso = 37 kg/km = 13,55%
IV.2.1.2
Alumosteel em substituição ao cabo CAA
Raven (1/0 AWG)
O condutor de aço-alumínio mais adequado para a
substituição do cabo CAA Raven é a formação sólida
de 53% de condutividade IACS na bitola 1/0 AWG
(1N0). Segue abaixo os 8 parâmetros para os dois
cabos em questão.
Equação 6 – Condutividade do cabo CAA.
Os condutores em aço-alumínio que melhor substituirão os cabos ou CAA devem ter 53% IACS de
condutividade. Utilizando a formação de um
condutor sólido para este novo condutor, pode-se
eliminar um eventual sobre uso de alumínio presente
nos cabos CAA, diminuindo o peso dos condutores.
A determinação do condutor ideal em Alumosteel
está vinculada a dois tipos de situações ocorrentes na
rede elétrica em questão.
A primeira situação prevê uma linha que trabalha
na média com até 50% do limite de carga da rede
condutora, o que permite um dimensionamento com
ganhos significativos em peso de condutor sob penas
de perdas elétricas pouco maiores que a do cabo
CAA equivalente.
Já a segunda situação prevê uma linha que na
média trabalha acima dos 50% do limite de carga da
rede condutora; neste caso o dimensionamento é mais
justo, com características e perdas elétricas próximas
das do cabo CAA equivalente.
Neste trabalho é considerada apenas a segunda
situação, o que prevê um dimensionamento de
CAA Raven – 1/0 AWG
Diâmetro
(mm)
10,11
Rcc à 20º C
em O
0,536
Seção
(mm 2)
62,44
Ica 75ºC
em A*
289
Peso
(kg/km)
216
Icc
em 1s**
5627
Carga de
Ruptura (kgf)
1970
CQT%
em %***
1,48
Condutor Sólido Alumosteel 53% IACS
1N0 – 1/0 AWG - ALTERNATIVO
Diâmetro
(mm)
8,25
Rcc à 20º C
em O
0,608
Seção
(mm 2)
53,44
Ica75/125ºC
em A*
257/344
Peso
(kg/km)
187
Icc
em 1s**
4804
Carga de
Ruptura (kgf)
1269
CQT%
em %***
1,68
Tabela 2 – Modelo de Oito parâmetros para o cabo CAA
RAVEN – 1/0 AWG e para o Fio Sólido AS – 1N0 –
1/0 AWG alternativo.
Redução de Peso = 29 kg/km = 13,42 %
5
IV.2.1.3
Alumosteel em substituição ao cabo CAA
Robin (1 AWG)
IV.2.1.5
O cabo CAA Robin pode ser substituído
adequadamente pelo condutor de aço-aluminizado na
formação sólida de 53% de condutividade IACS na
bitola 1 AWG (1N1). Abaixo seguem os 8
parâmetros para os dois cabos em questão.
Alumosteel em substituição ao cabo CAA
Swan (4 AWG)
O condutor de aço-alumínio mais adequado para a
substituição do cabo CAA Swan é a formação sólida
de 53% de condutividade IACS na bitola 4 AWG
(1N4). Segue abaixo os 8 parâmetros para os dois
cabos em questão.
CAA Robin – 1 AWG
Diâmetro
(mm)
9,00
Rcc à 20º C
em O
0,676
Seção
(mm 2)
49,48
Ica 75ºC
em A*
250
Peso
(kg/km)
171
Icc
em 1s**
4459
CAA Swan – 4 AWG
Carga de
Ruptura (kgf)
1616
CQT%
em %***
1,86
Diâmetro
(mm)
6,36
Rcc à 20º C
em O
1,356
Condutor Sólido Alumosteel 53% IACS
1N1 – 1 AWG - ALTERNATIVO
Diâmetro
(mm)
7,35
Rcc à 20º C
em O
0,767
Seção
(mm 2)
42,38
Ica75/125ºC
em A*
222/297
Peso
(kg/km)
148
Icc
em 1s**
3810
Seção
(mm 2)
24,71
Ica 75ºC
em A*
161
Peso
(kg/km)
86
Icc
em 1s**
2227
Carga de
Ruptura (kgf)
856
CQT%
em %***
3,74
Condutor Sólido Alumosteel 53% IACS
1N4 – 4 AWG - ALTERNATIVO
Carga de
Ruptura (kgf)
1006
CQT%
em %***
2,12
Diâmetro
(mm)
5,19
Rcc à 20º C
em O
1,538
Seção
(mm 2)
21,15
Ica75/125ºC
em A*
143/191
Peso
(kg/km)
74
Icc
em 1s**
1553
Carga de
Ruptura (kgf)
626
CQT%
em %***
4,24
Tabela 3 – Modelo de Oito parâmetros para o cabo CAA
ROBIN – 1 AWG e para o Fio Sólido AS –
1N1 – 1 AWG alternativo.
Tabela 5 – Modelo de Oito parâmetros para o cabo CAA
SWAN – 4 AWG e para o Fio Sólido AS –
1N4 – 4 AWG alternativo.
Redução de Peso = 23 kg/km = 13,45%
Redução de Peso = 12 kg/km = 13,95%
IV.2.1.4
OBSERVAÇÕES DAS TABELAS:
Alumosteel em substituição ao cabo CAA
Sparrow (2 AWG)
* Ica75ºC: Nas seguintes condições: Temperatura inicial
de 25ºC com um aumento de 50ºC e velocidade do vento
em 1 m/s.
* Ica125ºC: Nas seguintes condições: Temperatura inicial
de 25ºC com um aumento de 100ºC e velocidade do vento
em 1 m/s.
** Icc em 1s: Nas seguintes condições: Temperatura
inicial de 75ºC com um aumento de 175ºC.
*** CQT%: Os valores dos coeficientes de queda de
tensão foram calculados considerando um circuito de 1 km
com uma carga de 1 MVA na ponta, tensão de linha 13,8
kv, fator de potência igual a 1 e fator k, constante que
representa a relação da corrente de neutro e a corrente da
fase igual a 0,75. O Coeficiente de Queda de Tensão
(CQT%) é dado por:[7]
A sugestão em condutor aço-aluminizado para a
substituição eletricamente equivalente ao cabo CAA
Sparrow é a formação sólida de 53% de
condutividade IACS na bitola 2 AWG (1N2). Abaixo
seguem os 8 parâmetros para os dois cabos em
questão.
CAA Sparrow – 2 AWG
Diâmetro
(mm)
8,01
Rcc à 20º C
em O
0,854
Seção
(mm 2)
39,19
Ica 75ºC
em A*
215
Peso
(kg/km)
136
Icc
em 1s**
3532
Carga de
Ruptura (kgf)
1295
CQT%
em %***
2,35
S 1, 0. 10 6
=
= 125 ,5[ A]
V 13 .800
3
Vr = Vs − ( R f + 0,75. Rn ). I
V −V
CQT % = s r .100
Vs
Condutor Sólido Alumosteel 53% IACS
1N2 – 2 AWG - ALTERNATIVO
Diâmetro
(mm)
6,54
Rcc à 20º C
em O
0,967
Seção
(mm 2)
33,62
Ica75/125ºC
em A*
192/256
Peso
(kg/km)
118
Icc
em 1s**
3022
I=
Carga de
Ruptura (kgf)
798
CQT%
em %***
2,67
(7)
(8)
(9)
Equações 7, 8 e 9 – Cálculo do Coeficiente de Queda de
Tensão (CQT%).
Onde Rf é a Resistência do Condutor Fase (O/km); Rn é a
Resistência do Condutor Neutro (O/km); Vr é a Tensão na
Carga(V) e Vs é a Tensão na Fonte (V).
Tabela 4 – Modelo de Oito parâmetros para o cabo CAA
SPARROW – 2 AWG e para o Fio Sólido AS –
1N2 – 2 AWG alternativo.
Redução de Peso = 18 kg/km = 13,24%
6
IV.2.2
Análise a partir dos resultados do
Modelo de Oito Parâmetros
V.2
De acordo com a rede apresentada acima, é
necessário um investimento inicial para a aquisição
de 20 km de condutores (10 km para a fase e 10 km
para o neutro). Além disso, por se tratar de
condutores formados pelo mesmo tipo de material
(aço + alumínio) e por possuírem o mesmo diâmetro,
os conectores, alças pré-formadas e acessórios
pertinentes são os mesmos utilizados para os dois
tipos de condutores. Desta forma este investimento é
o mesmo para os dois casos e, portanto, não é
considerado para efeito de comparação.
A tabela 7 apresenta a quantidade de cada tipo de
condutor assim como o preço atual de mercado dos
mesmos.
O modelo de oito parâmetros mostrou total
compatibilidade elétrica e mecânica dos dois
condutores em todos os casos analisados.
As
diferenças observadas em alguns parâmetros não têm
influencias significativas no desempenho de uma
linha, pois o dimensionamento das redes prevê uma
variação desses parâmetros.
V ANÁLISE ECONÔMICA
A análise econômica a seguir é realizada a partir de
uma simulação de investimento na rede condutora de
uma linha elétrica, mostrando sua viabilidade
financeira , considerando apenas os condutores. É
utilizado como modelo para esta simulação o cabo
CAA mais comumente encontrado nas redes
primárias rurais : CAA SWAN - 4 AWG. O estudo
desse caso serve analogamente para os demais
condutores.
O dimensionamento efetuado anteriormente
mostrou que o condutor em Alumosteel mais
adequado para substituir este cabo é o Condutor
sólido de aço-aluminizado com 53% de
condutividade IACS na bitola 4 AWG.
O estudo econômico escolhido para mostrar a
viabilidade financeira de utilizar o condutor Alumo steel como alternativa ao Cabo CAA é uma Análise
de Investimento e de Payback . Primeiramente é feito
um estudo de custo total demandado para cada um
dos condutores - desembolso inicial mais perdas
totais - e posteriormente é feita u ma comparação
acumulativa anual deste custo total até 30 anos (vida
útil média de uma rede condutora padrão CAA)
mostrando qual condutor apresenta menor custo total
demandado.
V.1
Investimento Inicial
km
Preços
Condutor Condutor kg Total
R$/kg R$/km
CAA
4 AWG
AS 53%
4 AWG
Total
R$
20,0
1720
10,00
860
17.200
20,0
1480
10,00
740
14.800
Observações:
1-) IMPOSTOS = ICMS 12%/PIS/COFINS – Inclusos
2-) IPI do Cabo CAA = 10% - Incluso
3-) IPI do Condutor AS 53% IACS = 05% Incluso
4-) O Preço do AS é variável com o preço do cabo CAA
Swan por se tratar também de Commodities.
Tabela 7 – Investimento inicial para cada condutor
V.3
Custos das Perdas Elétricas
As perdas elétricas representam um prejuízo para o
sistema, é função direta da corrente que circula pelo
mesmo e da resistência elétrica dos condutores.
As perdas são calculadas para a linha hipotética
utilizando cada um dos condutores em questão. É
considerado que circula 8 Ampéres de corrente tanto
no condutor de fase como para o condutor de neutro.
Para isso são considerados crescimentos de 3% ao
ano do 1º ao 12º ano e 0% de crescimento a partir do
13º ano; a taxa de desconto a ser aplicada é de 13,5%
aa. O custo médio da energia para as concessionárias
é admitido em R$0,07 kW.h. Esses valores são
comumente utilizados pelas concessionárias de
energia para as análises de custos.
A equação 10 é utilizada para o cálculo das perdas
anuais em reais por quilômetro.
Apresentação da Rede Condutora Hipotética
A rede condutora a ser estudada é um caso
hipotético, porém bem representativo da realidade
das pequenas Redes Elétricas Primárias Rurais
existentes nas concessionárias de energia do Brasil.
A tabela 6 define as características da Rede Primária
Rural hipotética em questão:
Pe (kW ).8760(h).CE (R $).(1 + TxC ) 2. ANO (10)
(1 + TxD ) ANO
Equação 10 – Perda em R$/km
Onde Pe(kW) = R.i 2 ; CE(R$) é o custo médio da energia;
TxC é a taxa de crescimento e TxD é a taxa de desconto.
P ( R$ / km) =
Rede Primária Rural Hipotética
km de rede
10 km
Potência
39,83 kVA
Tensão de Linha
13,8 kV
Corrente Média
8A
No. de Fases
1 Fase + 1 Neutro
Dessa maneira a tabela 8 abaixo mostra as perdas
médias anuais e acumuladas por quilômetro em 12,
25 e 30 anos para cada condutor. Já a tabela 9
considera as perdas totais em todo o circuito (20 km
de extensão de condutor: fase + neutro). Não foram
consideradas as perdas nos circuitos secundários.
Tabela 6 – Rede Elétrica Primária Rural Hipotética
7
Perda Perda em
Anual
12 anos
(R$/km) (R$/km)
423,02
CAA 4 AWG 49,74
56,42
479,80
AS 4 AWG
-56,78
CAA4 – AS4 -6,68
Condutor
Perda em
25 anos
(R$/km)
621,02
704,37
-83,35
anteriormente apresentados, representam uma opção
para uma significativa economia no desembolso
inicial para condutores e consequentemente a
redução dos custos do kilowatt hora.
O trabalho em questão abordou apenas um caso
específico de distribuição primária rural, mas este
estudo pode ser estendido para as demais áreas da
distribuição e entrar inclusive no campo de
transmissão de energia elétrica.
Perda em
30 anos
(R$/km)
661,38
750,15
-88,77
Tabela 8 – Perdas Médias Acumuladas por quilômetro
Perda Perda em
Anual
12 anos
(R$)
(R$)
CAA 4 AWG 994,83 8.460,48
AS 4 AWG 1.128,36 9.596,03
CAA4 – AS4 -133,52 -1.135,55
Condutor
Perda em
25 anos
(R$)
12.420,32
14.087,35
Perda em
30 anos
(R$)
13.227,59
15.002,97
-1.667,03
-1.775,38
VII AGRADECIMENTOS
Agradecemos à orientação do professor Manoel
Luis Barreira Martinez, que foi muito importante
para o desenvolvimento do presente trabalho, e a
colaboração do amigo Prof. Phd. Geraldo de
Almeida, da Politécnica da USP, cuja ajuda foi muito
valiosa.
Tabela 9 – Perdas Médias Acumuladas Totais
A figura 11 apresenta os custos totais demandados
anualmente acumulados, considerando o investimento inicial (aquisição de condutores) – vide tabela 7 - e
as perdas totais a cada ano – vide tabela 9.
VIII REFERÊNCIAS
30.000
CAA 4 AWG
28.000
AS 4 AWG
[1] CALLISTER Jr., W.D, 1994. Materials science
and engineering – an introduction, 4ª ed, 1994
Editora Willey.
[2] COTRIM, A.A.M.B., 1993. “Instalações
elétricas”, 3ª ed, Makron Books Edit.
[3] MANGONON, P.L., 1999. “The principles of
materials selection for engineering design”, Prentice
Hall.
[4] ASM Handbook, 1997. “Mechanical testing”,
Vol. 8.
[5] Phelps Dodge Fios e Cabos Brasil, Normas ASTM
– Cabos de Alumínio com Alma de Aço (CAA),
http://www.pdwc.biz/PDF/BR/alcaa.pdf.
[6] KNOWLTON A. E. , 1967. Standard Handbook
For Electrical Engineers – MCGRAW HILL– New
York .
[7] FUCHS R.D et all, 1981. Projeto Mecânico de
Linhas Aéreas de Transmissão – Ed Edgard Blucher
– 1ª ed.
[8] ROBBA E. J. et all, 1971. Introdução a Sistemas
Elétricos de Potencia - Ed Edgard Blucher 1ª Ed.
[9] IUDÍCIBUS, SÉRGIO, 1987. Contabilidade
Gerencial – Ed Atlas – 4ª ed.
Custo Total [R$]
26.000
24.000
22.000
20.000
18.000
16.000
14.000
12.000
0
4
8
12
16
20
24
28
32
Ano
Figura 11 – Comparação dos custos totais acumulados.
Analisando a figura 11, verifica-se que a rede
constituída pelo condutor sólido Alumosteel (AS)
passa a ter um custo total acumulado maior por um
tempo superior a trinta anos. Considerando que as
linhas atuais exigem um recondutoramento a cada
trinta anos, o payback do condutor Alumosteel em
relação ao Cabo CAA Swan superior a esse período
justifica sua utilização.
VI 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. Apesar de não terem sido considerados na
análise financeira outras formas de redução de
custos, podem-se destacar 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
IX BIOGRAFIA
Fernando Marcançola
Nasceu em Campinas-SP no ano de
1980, formando em Engenharia de
Controle e Automação no ano de 2005
pela Universidade Federal de Itajubá.
Renzo Degiovanni Spedicato
Nascido na cidade de Orlândia – SP
em Setembro de 1981, é formando de
Engenharia Elétrica da Universidade
Federal de Itajubá do ano de 2005.
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