A contribuição do conector perfurante (IPC) para a eficiência e a confiabilidade de redes BT – Parte 2

Edição 115 – Agosto de 2015

Por Damien Jeanneau e Viven Rineau*

Definição da eficiência elétrica do conector.

Como qualquer componente “passivo” em uma rede, os conectores de baixa tensão podem ser comparados a uma resistência bem pequena que estaria em série de uma derivação como ilustrado na Figura 2. Esta resistência irá resultar em perdas térmicas de acordo com a mais trivial das fórmulas elétricas: P = RxI².

Figura 1 – Dois conectores redundantes usados em uma conexão de neutro

Figura 2 – Um perfurante atua como uma resistência entre o cabo principal e o de derivação.

Neste ponto, é crucial destacar outro clichê da eletricidade para entender melhor porque esta questão de perdas é crucial para perfurantes de BT: P = UxI. De fato, os perfurantes são usados em redes de baixa tensão. Quanto menor a tensão, maior é a corrente, razão pela qual 2/3 das perdas técnicas na rede acontecem nas redes de MT e BT (De acordo com “Prisme nº 8 study”, IEPF em 2009-2012).

O fato é que, na maioria dos países, o total da energia elétrica distribuída passa por quatro ou mais perfurantes antes de chegar a um medidor. Considerando que estas perdas são proporcionais ao quadrado da corrente, mesmo se a resistência do conector parecer consideravelmente baixa (entre algumas dezenas e algumas centenas de microohms), estes milhões de conectores irá atuar como um pequeno aquecedor ligado perpetuamente, o que, como veremos, vai incrementando os números.

Podemos afirmar que a eficiência de um conector é a sua capacidade de manter as perdas – e, consequentemente, a resistência total – baixas durante sua vida útil (e não somente na instalação).

Por que as normas não garantem eficiência?

Todas as normas de referência mencionadas acima foram concebidas pela indústria para permitir a determinação de quais produtos são confiáveis ao longo do tempo. O ensaio principal para determinar o desempenho elétrico de um conector é o ensaio de ciclo térmico (também conhecido como envelhecimento elétrico).

Figura 3 – Típico laço para ensaio de ciclo térmico.

Como lembrete, o princípio do ensaio é criar um laço. Os ciclos de aumento de temperatura são aplicados ao laço com altas correntes passando pelos condutores e conectores. Estes ciclos permitem simular o comportamento do conector que será submetido a variações de corrente ao longo do tempo.

Além da consistência do desempenho, o ensaio de ciclo térmico apenas determina a evolução da resistência e não o valor desta resistência. Como um exemplo da norma EN 50483, em um ensaio com 1.000 ciclos, os requerimentos com relação à resistência serão que: a) a resistência final seja menor que duas vezes a resistência inicial; e b) a resistência final seja menos que 15% mais que a resistência intermediária em 250 ciclos.

Este requerimento realmente apenas se concentra na estabilidade do conector. Em outras palavras, ele garante que o conector vai funcionar ao longo do tempo. No entanto, ele não garante nada sobre a eficiência do conector.

Pior ainda, este requerimento favorece, dentro de limites, conectores que apresentam resistência mais alta. De fato, como o requerimento é baseado apenas em porcentagens, quanto mais alto for o valor inicial, mais “espaço” terá o fabricante para aumento da resistência ao longo do tempo. Por exemplo, um conector que apresente resistência muito baixa de 10 μΩ no ciclo 250 irá falhar no ensaio de ciclo térmico se a resistência atingir o ainda muito baixo valor de 12 μΩ no final. Com apenas 2 μΩ de aumento de resistência, um conector tão eficiente não passaria no ensaio. Do lado oposto, um conector que apresentasse um valor de resistência de 100 μΩ em 250 ciclos poderia aumentar a resistência até 115 μΩ. Este segundo conector é um conector menos eficiente que mostra uma evolução bem menos favorável no que se refere à resistência, mas que ainda assim estaria de acordo com a norma.

Figura 4 – Gráfico dos requerimentos para envelhecimento elétrico: avaliação da evolução da resistência e não do valor da resistência.

Figura 5 – Gráfico do paradoxo do requerimento para envelhecimento elétrico: conectores menos eficientes têm mais latitude que conectores eficientes de acordo com a evolução da resistência.

Ainda que seja aconselhável aplicar os requerimentos do ensaio de ciclo térmico para a evolução da resistência para determinar a estabilidade ao longo do tempo, este exemplo mostra de forma clara que o fato de o conector ser aprovado no ensaio de envelhecimento elétrico não é uma comprovação da eficiência do conector.

Para poder propor uma base mensurável, comparável e pronta para conduzir esta análise, um dado representativo da eficiência do conector é, na verdade, o valor médio de resistência do conjunto de conectores testados no final de 1.000 ciclos (EN 50483-5)

Portanto, ainda que os requerimentos tradicionais do ensaio de ciclo térmico não forneçam indicação da eficiência, este teste dá boa indicação da resistência quando observamos o que nós chamaremos de “resistência final” do conjunto de conectores.

Escala de eficiência dos perfurantres

Uma vez que já está definido um conjunto de dados mensuráveis, comparáveis e razoavelmente disponíveis, fica agora possível comparar os conectores

. Antes de avançar, é importante observar que qualquer comparação entre conectores deverá ser feita com as mesmas seções de condutores tanto para a principal como para a derivação – e, preferencialmente, nos mesmos lotes de condutores.

Depois que este cuidado for tomado, também devemos notar que nem todos os conectores nascem iguais quando se trata deste valor ao final do ensaio.

Para ilustrar estas discrepâncias, a Figura 6 apresenta o resultado de um ciclo térmico comparativo feito em cinco modelos de conectores acomodando um cabo principal de 95 mm² com um cabo 95 mm² na derivação (2 conectores testados por modelo). Este ensaio foi feito propositalmente apenas com conectores internacionais de marcas líderes (IPC 1-2-3-4-5) que apresentam uma imagem de alta qualidade, com a exceção de 1 conector (IPC4), que é um produto de qualidade média com baixo preço. O conector 4 não é estável. O nível de perdas geradas por este tipo de conectores ultrapassará qualquer cálculo que será feito nos parágrafos seguintes deste documento. Tal conector provavelmente terá uma taxa de falha alta, mas ainda mais importante, elas levarão a perdas que serão maiores, em alguns meses, que a economia feita pela concessionária graças a preços baixos. Os outros perfurantes são estáveis e geralmente passam nos ensaios de ciclos térmicos tradicionais. O que podemos observar, no entanto, é que a média da “resistência limite” varia de 28 μΩ para o conector mais eficiente a 67 μΩ. Portanto, mesmo entre as marcas líderes de boa qualidade, para exatamente a mesma aplicação, a resistência varia de 1 a 2, mesmo de 1 a 3 em outros ensaios executados.

Figura 6 – Ensaio de envelhecimento elétrico comparativo em conexões 95-95 mm2 – Cinco tipos de conectores testados.

Também deve ser notado que o valor de resistência inicial (resistência logo após instalação) não é representativo do valor final obtido.

Considerando estes vários comportamentos em conectores, uma maneira simples de ilustrar as variações em eficiência é usar uma escala de eficiência que vai da classe de conectores mais eficiente para a menos eficiente, tal como é usada para eletrodomésticos, por exemplo.

Figura 7 – Proposta de escala de eficiência para conectores perfurantes BT.

Esta escala foi feita de maneira que a maior parte dos perfurantes oferecidos no mercado, hoje em dia, ficaria entre B para as marcas líderes conhecidas, C-E para conectores médios e F-G para os piores.

Enquanto poucos produtos alcançam a classificação A da escala, apenas um tipo de conector do painel estudado (mais de 30 modelos de conectores de várias marcas) alcança a classificação A+.

Mais uma vez, as perdas são proporcionais ao quadrado da corrente que passa pelo conector, a eficiência do conector (e, portanto, sua “resistência limite”) fica mais crítica à medida que as seções dos condutores instalados ficam maiores.

Dessa maneira, embora o uso de classificação A para um conector de iluminação pública (derivação de até 10 mm²) pode não ser o melhor investimento tecnológico-econômico devido ao valor extremamente baixo de corrente envolvido, a classificação de conectores de acordo com a tabela proposta se torna significativo para conectores de serviço (derivações entre 16 mm² e 35 mm2) e até crucial para aplicações de rede (derivações acima de 50 mm2) para as quais classificações A e A+ devem ser consideradas.

O impacto econômico da eficiência do conector 

O cálculo do impacto econômico de perdas geradas por conectores de BT depende de múltiplas variáveis que cada concessionária terá de ajustar de acordo com sua situação atual. Apresentamos um estudo de caso com os dados a seguir:

Aplicação: Perfurante 150 mm² principal / 150 mm² derivação

Comparação: vamos comparar o impacto econômico entre um conector realmente eficiente de classificação A+ (20 μΩ – conector 1 – IPC1) e um conector de média qualidade classificação D (90 μΩ – conector 2 – IPC2). Vamos assumir que a “resistência limite” seja representativa da resistência do conector. Isto é razoável considerando-se a forma assíntota típica da evolução da resistência dos conectores perfurantes.

Preço de compra: assumiremos que o IPC1 custa US$ 1 a mais que o IPC2 para esta demonstração. Preço da energia elétrica: assumiremos um custo de, aproximadamente, US$ 0,08 / kWh2, o que deve incluir a produção (~US$0,05) e transmissão/distribuição (~US$0,03). Embora US$ 0,08 possa parecer um valor baixo na maioria dos países, qualquer preço mais alto apenas reforçaria o caso em favor dos conectores eficientes, encurtando o retorno do investimento.

Corrente: a avaliação de perdas é altamente contingente ao fluxo de eletricidade. Embora em nosso caso, para cabos de 150 mm², a intensidade de corrente de trabalho seja de 389 A, este valor não representa o fluxo regular de ampères. Vamos usar, como uma intensidade média, 30% do volume para o qual está classificado o cabo, o que representa o melhor cenário intermediário técnico-econômico entre investimento e perdas devido ao cabo (117 A, em média, neste caso). Qualquer rede ocupada acima de 30% da carga máxima apresenta um retorno sobre investimento ainda mais acelerado.

Vida útil: todo perfurante de qualidade decente deve ser projetado para uma vida útil entre 30 e 40 anos de serviço. Vamos deixar em 30 anos. Sob as hipóteses acima, a média de energia dissipada pode ser calculada da seguinte maneira:

P(IPC1) = R x I² = 20E-6 x 117² = 0,274 W

P(IPC2) = 90E-6 x 117² = 1,232 W

Isto resultaria em um consumo anual de energia:

E(IPC1) = 0,27424365 = 2,4 kWh (~ US$0,192)

E(IPC2) = 1,23224265 = 10,8 kWh (~ US$0,864)

Em essência, o que se demonstra aqui é que a cada ano o IPC2 terá um custo anual operacional que ultrapassa o do IPC1 em US$0,067.

Em tal situação, o retorno sobre investimento para uma diferença de US$1 fica um pouco acima de um ano comparado a um tempo de vida útil de ~30 anos. Durante sua vida útil, o IPC1 terá causado uma perda de 72 kWh, enquanto as perdas do IPC2 chegam
a 324 kWh.

Tais valores, ainda que relativamente pequenos quando consideramos apenas um conector, se tornam bastante significantes quando milhões de conectores similares são instalados a cada ano nas redes das concessionárias.

Além disso, enquanto o exemplo dado aqui compara um conector excelente com um bom conector, o impacto econômico de um conector de má qualidade (classificação F & G com resistência maior que 120 μΩ) se tornará um desastre para as perdas da concessionária (bem mais que US$ 1 por ano por conector).

Mais uma vez, estas estimativas conservadoras devem ser ajustadas à situação de cada concessionária. Ainda que seja relativamente simples fazê-los a partir do zero, estes cálculos podem ser respaldados por planilhas pré-projetadas.

Eficiência do perfurante de baixa tensão: uma oportunidade para as concessionárias.

Em suma, a eficiência e a confiabilidade do conector de BT, ainda que pequenas quando considerada apenas uma peça, tornam-se significativas quando consideramos: a) milhões de conectores instalados em uma rede; e b) o fato de que cada kWh que chega aos medidores deve antes passar por quatro ou mais destes conectores.

Se, de 0,30 a 1,60, podem ser economizados todos os anos em cada conector instalado na rede, a economia para as concessionárias pode atingir valores de seis a sete dígitos todos os anos.

O objetivo deste documento é destacar o potencial oferecido às concessionárias: garantir confiabilidade e melhorar a eficiência em suas redes. Espera-se que as concessionárias possam se beneficiar dos caminhos bem práticos que foram mostrados para atingir este potencial.

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*Damien Jeanneau é engenheiro e mestre em Engenharia e em Empreendimento de Negócios. Atuou em diversos cargos de gerenciamento de produto e, atualmente, é diretor da área de negócios para acessórios de redes aéreas em baixa e média tensão da Sicame da França, coordenado projetos de P&D, inovação e gerenciamento de produtos.

*Vivien Rineau é engenheiro e mestre em Engenharia. Trabalha como engenheiro líder global e  gerente de produtos (perfurantes) na Sicame da França. 

 

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