Alumínio Liga 1120 – CAL 1120 para linhas de transmissão e de distribuição

Tradicionalmente, os Condutores de Alumínio (CA) e os Condutores de Alumínio com Alma de aço (CAA) são especificados para as linhas de transmissão e de distribuição aéreas. Recentemente, com a necessidade de se obter um melhor projeto, maior confiabilidade e redução dos custos globais, os Condutores de Alumínio Liga (CAL) tornaram-se a principal escolha para a maioria das novas linhas de transmissão e distribuição. Isto acontece, pois, por não ter a alma de aço, os cabos condutores AAAC são significativamente mais leves do que os CAA. Dessa forma, é possível reduzir as estruturas das torres e o custo por metro dos cabos.

O Condutor de Alumínio Liga convencional, o CAL 6201, é o ideal para substituir o CAA em linhas com longos vãos, reduzindo o número de estruturas ou torres. Condutores com esta liga têm sido muito bem aceitos no Reino Unido, Ásia, Europa, EUA e nas Américas.

Por outro lado, o condutor de Alumínio liga 1120, ou CAL 1120, é ideal para se obter custos de transmissão mais baixos, tanto na construção como na operação. Esta liga foi desenvolvida pela primeira vez e adotada na Suécia há cerca de 50 anos. Foi introduzida na Austrália uma década depois e, agora, a maioria das novas linhas na Austrália e Nova Zelândia utiliza esta liga. Proporciona melhor relação custo/benefício, alta confiabilidade e também redução das perdas técnicas de transmissão, ou seja, possibilita a otimização do projeto como um todo. Espera-se que seu uso aumente nas novas linhas de transmissão em muitos outros países onde as perdas operacionais são questões relevantes, devido aos custos de energia que não são negligenciáveis.

Este artigo tem como objetivo verificar o desempenho passado e o futuro potencial do CAL 1120.

 Antecedentes

Ao projetar linhas aéreas de transmissão e distribuição, os principais requisitos com condutores consideram que sejam leves, com boa condutividade, alta confiabilidade e baixas perdas. Hoje, devido à crescente preocupação com o meio ambiente, o momento é adequado para se reanalisar os condutores, buscando o melhor desempenho na sua utilização e operação.

O Alumínio liga EC 1350 que compõe os CAA proporciona boa condutividade – IACS 61% – e, com um peso específico de 2,703 kg/m³, é claramente o material mais apropriado para as linhas aéreas. Entretanto, o metal da classe da EC tem uma resistência mecânica limitada de modo que há um limite prático à extensão do vão que pode ser projetado com os condutores CA – Cabos de Alumínio.

A solução para superar a resistência mecânica limitada do Alumínio EC foi a de incluir fios de aço como um reforço. No entanto, esta alternativa aumentou o peso e o diâmetro do condutor, resultando em torres ou estruturas mais robustas e mais caras. Houve, assim, o desenvolvimento das ligas de alumínio com maior resistência mecânica, como os da série 6.000. Isto resolveu o problema do peso, mas esta liga apresenta uma condutividade menor, entre 52% a 53% IACS, e as perdas elétricas ficaram similares aos condutores de alumínio com alma de aço. Como ordem de grandeza, estas perdas são pelo menos 10% maiores em relação aos CA.

A Suécia tem sido líder no que se refere à política ambiental e, no início dos anos de 1970, uma liga de Alumínio, a AL59, foi desenvolvida e patenteada por lá. Originalmente, foi sugerida sua utilização em condutores para cabos isolados, mas devido às boas propriedades de fluência, ela foi utilizada pela “Swedish Power Board” para linhas de transmissão aéreas. Esta liga, classificada como Alumínio liga 1120, é basicamente uma versão “high tech” do alumínio padrão da classe EC. Isto porque, pela incorporação de alguns elementos no alumínio 1350 EC e por um controle muito cuidadoso dos processos de fabricação do vergalhão e do fio, com um específico tratamento térmico, a resistência mecânica da liga é aumentada em 50% a 60% com uma perda de condutividade de apenas 1%, estando nominalmente em 60% IACS.

Em 1979, a utilização desta liga de alumínio iniciou-se na Austrália e Nova Zelândia, onde existem normas específicas, como a AS 1531, “Conductors Bare Overhead – Al and Al Alloys” e aAS 2848-1, “Al and Al Alloys, Compositions and Designations”. Hoje, esta liga é amplamente aceita e utilizada, além da Austrália e Nova Zelândia, também em Israel, África, Ásia e Brasil. No Brasil já foram instaladas cerca de 40.000 toneladas de CAL 1120.

Projeto de linha de transmissão

Ao projetar uma linha de transmissão ou distribuição aérea, um dos fatores mais críticos é a fluência em longo prazo (ou extensão não elástica do condutor com o tempo e temperatura), que governa a flecha adicional que pode ser admitida durante a vida útil da linha.

As dimensões das torres são selecionadas com base nos cálculos das flechas com fluência, que ocorrerão em condições normais e de emergência, após considerar os requisitos de distância ao solo. Devido ao melhor desempenho do alumínio liga 1120 com relação à fluência, podem ser usadas tensões ligeiramente mais elevadas para o EDS – Every Day Stress. Uma tensão de 50 N/mm², por exemplo, é frequentemente usada para a o alumínio liga 1120, o que significa, em média, EDS de 22%.

O gráfico a seguir mostra o efeito da fluência sobre alumínio e ligas de alumínio à temperatura de 120 ^oC e em uma carga de emergência de 40% da Carga à Ruptura (CR).

Figura 1 – Comparação da fluência nos fios de alumínio.

 Muitos testes foram realizados para verificar o desempenho do alumínio liga 1120 para estabelecer a curva tensão-deformação e sua fluência em várias temperaturas e em diferentes níveis de tensão.

A menos que sejam necessárias instalações em vãos muito longos, acima de 1200 m, os condutores de alumínio liga 1120 são capazes de substituir perfeitamente os condutores CAA ou CAL 6201 com custos menores.

Perdas na transmissão e peso dos condutores

Condutor de mesmo diâmetro em relação aos CAA e CAL

Uma vantagem real e prática da utilização dos condutores de alumínio liga 1120 para linhas de transmissão e distribuição é a redução dos custos operacionais decorrente das menores perdas ôhmicas, por efeito Joule. O desempenho em relação ao CAA e CAL é feito comparando-se alguns condutores típicos com carregamento normal para linhas de transmissão, com base nas condições ambientais de 35 °C de temperatura do ar ambiente, 1000 W/m² de intensidade de radiação solar direta, 100 W/m² de radiação solar difusa e uma velocidade de vento de 1 m/s.

Em média, as perdas podem ser até 10% menores.

 Condutor de mesma resistência ôhmica em relação aos CAA e CAL – Exemplo 1

A referência do CAA RAIL foi escolhida por ser um dos condutores mais utilizados nas LTs de 500 kV no Brasil.

Peso do condutor de alumínio liga 1120: 13,5% e 11,3% menor em relação ao CAA Rail e CAL 6201 respectivamente, com menor emissão de CO₂ global.

Tendências

 As principais linhas de transmissão com CAL 1120 já estão em uso na Austrália há mais de 40 anos. Não houve nenhum problema significativo com a introdução deste condutor e as concessionárias de transmissão como Powerlink em Queensland estão economizando atualmente alguns milhões de dólares por ano com as perdas reduzidas.

Uma vantagem adicional no futuro será que os condutores CAL 1120 poderão ser reciclados mais facilmente do que os condutores CAA, por ser um condutor homogêneo. Assim, à medida que mais linhas antigas com CAA forem sendo substituídas, esperamos ver o uso continuado de CAL 1120 com consequentes vantagens para as concessionárias, consumidores e, principalmente, em relação ao meio ambiente.

*Por George Farmain é coordenador do Comitê de Cabos para GTD da Associação Brasileira do Alumínio (ABAL).