Geração distribuída terá crescimento acima de 20% em 2025, aponta ABGD
18/12/2024
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Por Edmilson José Dias, Willian Alves de Souza e Fernando Medeiros da Silva*
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rojeto de implantação do cabo coberto de dupla camada nas redes compactas de distribuição: uma viabilidade para melhoria de desempenho operacional e gestão eficiente do ativo
O objetivo primordial para a aplicação de novas tecnologias em ativos de redes de distribuição pela concessionária de energia elétrica é garantir, através da alocação ótima de recursos em soluções de engenharia, a eficiência operacional da distribuidora através da redução de custos operacionais sob observação de requisitos mínimos de qualidade de serviço. As ações eficientes de engenharia afetam positivamente a condição dos ativos da rede de distribuição, reduzindo, assim, a probabilidade de ocorrência e/ou o tempo de restabelecimento de energia, resultando em uma maior disponibilidade de fornecimento de energia elétrica.
Assim, o resultado da renovação e/ou inovação tecnológica do ativo, deverá ser a constante melhoria de desempenho, aliado com resultados dos investimentos da manutenção, o que vai reduzir a exposição da distribuidora aos riscos financeiros associados à ocorrência de contingências, a um custo satisfatório da implementação das soluções de engenharia. Neste contexto, as soluções tecnológicas oferecem suporte à gestão de ativos para o planejamento dos investimentos em manutenção, tanto em longo prazo (através de projetos pilotos de aperfeiçoamento tecnológico), como curto prazo (através de soluções imediatas in loco através de seleção de alvos).
Baseado nestes conceitos, o trabalho a seguir visa apresentar o projeto de implantação do cabo coberto dupla camada nas redes compactas de distribuição de energia em média tensão (13,8 KV) da Cemig Distribuição, por meio de ações de pesquisa, laboratórios e pilotos em campo. Busca ainda explanar todo o histórico, desenvolvimento e desempenho atual das redes compactas de energia. Os projetos pilotos propostos e realizados mostraram o sucesso do projeto, norteando a empresa para um novo patamar de tecnologia a ser utilizada nas suas redes de distribuição.
Desenvolvimento
A rede de distribuição de média tensão compacta com cabo coberto
Histórico e critérios de utilização na Cemig D
A partir do ano de 1950, um engenheiro americano chamado Bill Hendrix, da empresa Hendrix W&C, iniciou o desenvolvimento da rede compacta com os condutores instalados em espaçadores, topologia denominada de “spacer cable”. A ideia era de controlar o campo elétrico pela utilização de acessórios não metálicos e feitos com a mesma base polimérica que o cabo protegido, ou seja, com a mesma constante dielétrica. Com isso, o agrupamento dos condutores em um espaçador polimérico exigiria maiores cuidados com as condições de isolamento elétrico entre os condutores fases e o cabo mensageiro. Dessa forma, seria possível evitar rupturas no isolamento do conjunto. Além disso, o novo sistema teria compactação próxima à encontrada nas redes isoladas, resultando em uma redução da impedância característica do sistema, além de possibilitar a utilização de vários circuitos na mesma posteação, aumentando o nível de desempenho, qualidade e segurança do sistema de distribuição aéreo.
O Brasil, devido à grande influência dos fabricantes de equipamentos e à necessidade de expansão com redução nos custos de implantação, adotou, como em vários outros países ao redor do mundo, as redes de distribuição aéreas convencionais como padrão. Por conta da elevada taxa de falha no fornecimento de energia, do baixo nível de qualidade de fornecimento, do elevado impacto ambiental e do crescente custo operacional deste sistema, o desempenho não satisfatório das redes convencionais motivou o desenvolvimento das redes aéreas compactas no Brasil, no passado, conhecidas como redes protegidas com tecnologia mais moderna.
Em 1988, as concessionárias Cemig, Copel e Eletropaulo desenvolveram um trabalho conjunto de pesquisa para o uso de cabos cobertos em redes aéreas de 13,8 kV com topologias convencionais. Inicialmente, a pesquisa considerou a utilização de cabos de alumínio cobertos com polietileno em substituição aos cabos de alumínio nus, mantendo-se a topologia convencional com o uso de cruzetas e isoladores de porcelana. O objetivo principal do trabalho era testar em campo a eficiência dos cabos cobertos quando em contatos eventuais com galhos de árvores, objetos na rede e ainda convivendo em ambientes com poluição. A experiência mostrou que os cabos cobertos atendiam aos requisitos mínimos para aplicação em áreas urbanas.
Outro evento impulsionador para o desenvolvimento das redes compactas no Brasil ocorreu ao longo da década de 1990, com o crescimento das pressões da sociedade e poder público contra a poda agressiva de árvores e a necessidade de maior confiabilidade, qualidade e segurança dos sistemas elétricos de distribuição. Neste cenário, as concessionárias brasileiras iniciaram uma pesquisa mais efetiva referente à implantação das redes aéreas compactas.
Finalmente, em 1998, após vários testes realizados em laboratório e em campo, o uso da rede distribuição compacta que consiste no uso de cabos cobertos instalados em espaçadores poliméricos, foi definitivamente padronizado na Cemig D em novas extensões e reformas de redes urbanas nas bitolas de 50 mm² e 150 mm2, tensões 15 kV e 25 KV. Hoje, também é largamente utilizado na maioria das concessionárias brasileiras, substituindo gradativamente a rede convencional (nua). Dentre as vantagens da utilização desse padrão de rede, destacam-se:
Ao longo dos últimos anos, a implantação do cabo coberto na Cemig D vem crescendo quase que exponencialmente, alcançando, atualmente, aproximadamente 13.000 km, o que corresponde a 36% do parque total de 36.300 km de redes de distribuição urbana da concessionária. Com a substituição gradual (em novas extensões e reformas) das redes primárias convencionais existentes pelas compactas, a projeção para após o ano de 2024 é que existam mais condutores cobertos do que nus no sistema elétrico urbano da Cemig D. Contudo, existem critérios bem definidos para a instalação ou não de redes compactas nos circuitos urbanos, dentre os quais destacam-se:
Indicações:
Contraindicações:
Características básicas gerais da rede compacta
A rede compacta é constituída basicamente de cabos cobertos, cabos mensageiros de aço, espaçadores losangulares e isoladores poliméricos. Os dois últimos são constituídos de material polimérico com isolação termoplástica HDPE (polietileno de alta densidade), cujas propriedades mecânicas, elétricas e químicas fornecem a estes componentes, dentre outros aspectos, resistência à tração/impacto, rigidez dielétrica, permeabilidade e estabilidade química, os quais garantem a compatibilização elétrica com o cabo coberto e bom desempenho de todo o conjunto. O cabo é dotado de uma cobertura protetora extrudada de material polimérico (XLPE), visando a redução da corrente de fuga em caso de contato acidental com objetos aterrados e a diminuição do espaçamento entre os condutores. Atualmente, os polímeros que compõem a rede compacta possuem facilidade de fabricação e processamento, consolidando esta tecnologia no setor elétrico em nível nacional, e, no caso da Cemig D, possibilitando a sua utilização em larga escala em toda a sua área de concessão.
Figura 1 – Rede compacta com cabo coberto e acessórios.
O projeto de implantação do cabo coberto dupla camada na rede compacta da Cemig D
Histórico e origem do cabo coberto dupla camada
Os compostos de polietileno são utilizados em isolamentos de cabos de energia devido às suas propriedades elétricas, como: baixo fator de dissipação e constante dielétrica e alta rigidez dielétrica em corrente alternada e impulso. Existem, basicamente, dois tipos de polietileno normalmente utilizados: o LDPE (baixa densidade) e o HDPE (alta densidade). Sendo o polietileno um polímero amorfo-cristalino, a densidade é intimamente relacionada ao grau de cristalização do material.
Na França, são encontradas aplicações de LDPE para tensões de até 400 KV e HDPE de até 225 KV.
O HDPE tem sido utilizado nos Estados Unidos para aplicações em redes compactas para tensões de isolamento de até 35 KV, sempre em conjunto com o LDPE em dupla camada, ou seja, o LDPE funcionando como isolação primária (ótimas propriedades elétricas) e o HDPE como isolação secundária (ótimas propriedades mecânicas e resistência ao trilhamento elétrico quando em contato com árvores). Hoje, os condutores utilizados nos Estados Unidos possuem camadas adicionais e distintas em comparação aos cabos produzidos no Brasil, que possuem camada única.
Ao longo dos últimos cinco anos na Cemig D, surgiu a necessidade de melhorar a performance das redes compactas, por conta da sua queda de desempenho operacional verificada em várias ocorrências no sistema elétrico, principalmente, envolvendo árvores. No final de 2014, iniciou-se então o projeto de implantação do cabo coberto dupla camada, com o foco principal de maior proteção dielétrica e mecânica frente a agentes externos e objetos aterrados.
Motivadores
Nos últimos três anos, tem-se verificado na Cemig D um aumento significativo das ocorrências relevantes (acima de 20.000 clientes x horas) nos circuitos urbanos de rede compacta, em comparação aos de rede convencional (nua). Em 2015, este aumento culminou com a ultrapassagem do número de ocorrências na rede compacta em comparação a convencional:
Figura 2 – Estudo comparativo de ocorrências relevantes: rede convencional x compacta. Fonte: Gerenciamento de Interrupções da Cemig D (Gerint).
Analisando as ocorrências relevantes em circuitos de redes compactas no ano de 2015, verifica-se a causa árvore como destaque (31,4%):
Figura 3 – Comparativo das ocorrências relevantes em 2015 em circuitos de rede compacta. Fonte: Gerint.
A realização anual de podas de árvores, nos circuitos de média tensão urbanos da CEMIG D, vem caindo ao longo dos últimos anos podendo comprometer também o bom desempenho das redes, principalmente em dias atípicos (fenômenos naturais da natureza):
Figura 4 – Estudo comparativo anual: realização financeira (R$ e US’s) em podas de árvores. Fonte: SAP-R3 – Sistema Integrado de Gestão Empresarial.
Com as evidências mais recentes de baixo desempenho operacional do cabo coberto normal, reincidências de causa “árvores” e elevação dos custos de manutenção, amostras de cabos foram retiradas da rede após algumas ocorrências e analisadas internamente. Alguns defeitos típicos na estrutura do cabo foram verificados, tendo como principais:
Premissas do projeto
O projeto de implantação do cabo coberto dupla camada na rede compacta da Cemig D, que basicamente altera a estrutura da cobertura do cabo, objetiva:
O cabo coberto em utilização na Cemig possui basicamente um condutor de alumínio com uma cobertura de termofixo extrudado de polietileno reticulado (XLPE), provendo o mesmo de uma capacidade de permitir contatos eventuais com arborização e alguns elementos aterrados. Porém, nem sempre esta propriedade é capaz de evitar danos na estrutura da cobertura do cabo quando do contato eventual com elementos externos aterrados, devido à não equalização das linhas de campo elétrico na superfície do condutor. Uma blindagem no cabo basicamente elimina a distorção das linhas de campo elétrico produzida pelos fios da camada externa do condutor:
Figura 5 – Comparação do campo elétrico no cabo com e sem o material semicondutor.
Além da camada semicondutora, uma proteção adicional de HDPE na cobertura existente de XLPE garante uma maior resistência ao trilhamento elétrico e abrasão, duas das principais anomalias de origem elétrica e mecânica do cabo protegido. O Polietileno Reticulado (XLPE) é obtido a partir da modificação da estrutura do Polietileno Termoplástico (LDPE), e possui, além de todas as suas propriedades elétricas, melhores propriedades físicas com o aumento da temperatura. Com a adição na composição do aditivo “track resistant” na base polimérica do XLPE, ocorre a minimização dos efeitos provocados pelo trilhamento elétrico. O HDPE, que é um polietileno amorfo-cristalino de alta densidade e essencialmente linear, possui baixo fator de dissipação e constante dielétrica e alta rigidez dielétrica em corrente alternada e impulso. E agrupa, em uma única estrutura:
Com isso, obtém-se um cabo coberto dupla camada que potencializa toda a estrutura de isolamento, devido à união das propriedades físicas e químicas dos componentes das diversas camadas da composição. Foram, então, definidas as características construtivas e físicas do cabo dupla camada do projeto piloto: tensão 15 KV, bitola do condutor 50 mm2, composição básica de Polietileno Reticulado (XLPE) + Polietieno de alta densidade (HDPE), operando a uma temperatura de 90°C máxima em regime permanente, com dimensões pré-definidas das camadas:
A) camada semicondutora com função de equalização do campo elétrico e espessura 0,4 mm;
B) camada XLPE com função de isolação primaria, atenuação dos efeitos do campo elétrico/trilhamento elétrico e espessura 1,5 mm;
C) camada HDPE com função de isolação secundária, proteção mecânica/elétrica do cabo e espessura 1,5 mm.
Figura 6 – Estrutura física do cabo coberto dupla camada.
Após pesquisas e contatos com alguns fabricantes, foi acordada uma parceria com um fornecedor mundial de cabos para o projeto, fabricação e fornecimento de 5 Km de cabo coberto dupla camada com as características definidas previamente no projeto. Abaixo foto da amostra do cabo adquirido no projeto:
Figura 7 – Amostra do cabo coberto dupla camada utilizado no projeto.
Ensaios realizados
Os principais ensaios realizados em fábrica no cabo, antes da aquisição para a realização o projeto piloto, foram:
Em especial, no ensaio de resistência da cobertura ao trilhamento elétrico realizado em 28/04/2015, a amostra nova de cabo coberto dupla camada apresentou um resultado bem acima da expectativa comparado ao exigido pela ABNT NBR 11873 (mínimo de 2,75 kV): 6,0 kV (Fonte: Relatório de ensaio de resistência ao trilhamento elétrico – 29/04/2015):
Tabela I – Resultados obtidos no ensaio de trilhamento elétrico
A amostra do cabo suportou por 16 horas uma tensão final de 6,0 kV sem apresentar nenhum evento que reprovasse o ensaio. O ensaio só foi finalizado devido ao equipamento ter chegado à sua tensão limite.
Figura 8 – Perfil de tensão no ensaio de resistência ao trilhamento elétrico.
O projeto piloto
Foram selecionados dois circuitos na região da grande Belo Horizonte para a realização do projeto-piloto, com as seguintes premissas:
A periodicidade média de podas em redes de média tensão na Cemig D é de uma intervenção/ano. Para os dois trechos selecionados do projeto, foram suspensas as podas programadas após a data de instalação do cabo protegido dupla camada, visando o teste de desempenho físico e operacional do cabo.
O primeiro trecho do projeto-piloto
O primeiro trecho selecionado do projeto-piloto localiza-se no município de Contagem, com proteção chave fusível e circuito com características de grande concentração de árvores de grande porte (Eucaliptos) acima da rede primária e outras de pequeno porte (Castanheiras). O conflito árvores/rede é quase constante com um número considerável de ocorrências com reincidências.
Figura 9 – Trecho do primeiro projeto-piloto durante e após a instalação do cabo dupla camada.
O segundo trecho do projeto-piloto
O segundo trecho selecionado do projeto localiza-se no município de Nova Lima, protegido também por uma chave fusível. O circuito possui grande concentração de árvores (principalmente do tipo “Palmeira”) que, em conflito com a rede, sempre causa danos ao cabo e um número considerável de ocorrências com reincidências:
Figura 10 – Trecho do segundo projeto-piloto durante e após a instalação do cabo dupla.
Avaliação técnico econômica do projeto
Após cinco e nove meses decorridos das instalações do cabo coberto dupla camada nos dois trechos selecionados do projeto-piloto, foram realizadas avaliações de desempenho em campo e operacional (CONINT).
Analise técnica em campo após cinco meses das instalações:
Após cinco meses decorridos das instalações do cabo coberto dupla camada nos dois trechos, foi realizada uma avaliação de desempenho em campo e operacional (CONINT): não se verificou ocorrência acidental nos trechos e avarias nos cabos após uma inspeção visual realizada nos dois circuitos, mesmo após a interrupção de todas as podas e o crescimento/convivência normal das árvores com a rede no período anual chuvoso de dezembro de 2015 a março de 2016.
Analise técnica em campo após nove meses das instalações:
Aproximadamente após nove meses das instalações, foram realizadas inspeções termográficas e criteriosas com a equipe de rede energizada nos dois trechos dos projetos-piloto. No município de Contagem, além do contato permanente de galhos de palmeira e castanheira com o cabo, foi verificado em dois vãos um esforço mecânico no condutor de maneira severa.
Figura 11 – Árvores em conflito com o cabo dupla camada no trecho do primeiro projeto.
Figura 12 – Árvores em conflito com o cabo dupla camada no trecho do segundo projeto-piloto.
Analises termográficas:
Figura 13 – Imagem termográfica de árvores em conflito com o cabo dupla camada no trecho do primeiro projeto-piloto.
Tabela II – Análise termográfica no trecho de conflito do cabo dupla camada com árvores no trecho do primeiro projeto-piloto
Data: 30/06/2016 Hora: 10:05:24 ε: 0,75 T. ambiente: 19,0 °C
Umidade: 0,80 Distância do alvo: 12,0 m
Nº serial da termocâmera: 404003892
Comentários: Trecho percorrido de cabo 50 mm protegido camada dupla, com galho de árvore forçando o mesmo, indicado pelo gráfico P2.
Nota-se que as temperaturas medidas permanecem com variações mínimas, delta diferenciado no percorrer das medições, variando entre -0,66°c e -0,54c.
Observação: Consideramos anomalias térmicas temperaturas acima de 20°c.
Conclusão: Sem anomalias térmicas para as medições (trecho indicado).
Figura 14 – Imagem termográfica de árvores em conflito com o cabo dupla camada no trecho do segundo projeto-piloto.
Tabela III – Análise termográfica no trecho de conflito do cabo dupla camada com árvores no trecho do segundo projeto-piloto.
Data: 30/06/2016 Hora: 13:50:36 ε: 0,75 T. ambiente: 19,0°C
Umidade: 0,80 Distância do alvo: 12,0 m
Nº serial da termocâmera: 404003892
Comentários: Trecho percorrido de cabo 50 mm protegido camada dupla, com galho de coqueiro tocando no mesmo, indicado pelo gráfico P1 e P3.
Nota-se que as temperaturas medidas permanecem com variações mínimas, delta diferenciado no percorrer das medições, variando entre -0,14°c e 0,30°c.
Observação: Consideramos anomalias térmicas temperaturas acima de 20°c.
Conclusão: Sem anomalias térmicas para as medições (trecho indicado).
Análise financeira
Considerando o número total de desligamentos com reincidências causa árvores, indeterminada e vento, em um período médio de um ano nos circuitos dos dois trechos dos projetos-piloto, e as consequentes despesas totais com manutenção corretiva, compensação real e energia não faturada, o custo total correspondeu a R$ 11.154,96, conforme demonstrado na tabela a seguir:
Tabela IV – Análise das interrupções com reincidências nos 2 trechos do projeto piloto (fonte: GDIS – Gestão da Distribuição da Cemig D).
tabela
Este custo total de R$ 11.154,96 (OPEX), dispendido no atendimento de todas as reincidências nos circuitos dos dois trechos, pagaria todo o investimento (CAPEX) de aquisição de 2.800 metros de cabo dupla camada utilizados nos dois projetos (valor total de R$ 8.512,00), e ainda sobraria R$ 2.643,00, que poderiam ser investidos na aquisição de mais aproximadamente 870 metros.
Atualmente, a Cemig D tem um custo total de R$ 25.000.000/ano em despesas para execução de podas, com periodicidade de uma vez por ano em cada trecho dos 36.000 Km de circuito primário urbano, sendo 36% deste total composta por rede compacta. Pela curva de tendência de crescimento da rede compacta urbana e decrescimento da convencional (já despadronizada), a previsão é que tenhamos no ano de 2024 a mesma quantidade instalada das duas modalidades de rede. Padronizando o cabo coberto dupla camada na Cemig D em 2017, a expectativa é que, em 2024, cerca de 20 % da rede urbana seja constituída desta modalidade. Propondo a mudança da periodicidade de podas (somente nos circuitos com cabo coberto dupla camada devido à alta eficiência verificada no projeto) para uma vez a cada dois anos, teríamos anualmente uma economia de 50% da despesa total em 20% de todo o trecho urbano, o que hoje corresponde a um valor estimado de R$ 2.500.000/ano.
Somente pelas análises citadas evidencia-se o resultado satisfatório do projeto, o que sinaliza para a Cemig D investimentos futuros maiores para aquisição do cabo coberto duplo camada, além da consolidação da padronização deste novo ativo.
Conclusões
Antes do projeto, o único cabo que poderia ter desempenho operacional similar ao coberto dupla camada nos dois circuitos pilotos selecionados, seria o isolado que contém bloqueio total do campo elétrico na sua superfície. Porém, atualmente, é inviável para qualquer concessionária a substituição por cabos isolados nestes tipos de circuitos, visto o alto valor atual do mesmo em comparação com os cobertos. Hoje, o cabo isolado possui um preço médio seis vezes maior que o coberto, sem contar com os acessórios e custos com a mão de obra altamente especializada para instalação e manutenção.
Comparando os investimentos de hoje para aquisição do cabo coberto normal e o de dupla camada, observa-se uma diferença média de 15% a 20 % a mais para o segundo. Mas se expandirmos este comparativo para um determinado conjunto de obras com consumo de cabos dupla camada acima de 100 KM, em que possivelmente teremos ganhos de escala e de produção, esta diferença comparativa tende a reduzir para uma faixa de 3% a 5%. Mensurando os ganhos futuros (melhor desempenho operacional e de segurança do cabo coberto dupla camada), o investimento fica totalmente viável e lucrativo apesar da pequena diferença de custos.
Para uma concessionária de energia elétrica, quanto menor as despesas em manutenção corretiva investindo acertadamente em ativos eficazes, maior será a eficiência operacional e retorno financeiro para a empresa. Hoje, a Cemig D tem uma despesa média anual de R$ 25 milhões por ano em podas nos seus circuitos urbanos. Diminuindo a periodicidade de podas nos circuitos com cabo coberto dupla camada, esta despesa anual pode ser reduzida e alocada para outro programa de investimento.
O investimento preciso em ativos eficientes mitiga riscos de falhas, os quais oneram menos custos na corretiva. No caso deste projeto, fica evidenciada a viabilidade de investimento neste novo ativo, norteando a empresa para uma padronização definitiva e efetivação futura de quantidades maiores e significativas de aquisição, com objetivos de:
