An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002
Análise de custos de condutores não convencionais utilizados em instalações elétricas rurais
Rodrigues, Ricardo Martini; Serni, Paulo José Amaral; Rodrigues, José Francisco
Departamento de Engenharia Elétrica, Faculdade de Engenharia de Bauru, UNESP, CEP: 17033-360 - Bauru - SP, tel: 14 2216116, fax: 14 2216110, e-mail: martini@feb.unesp.br
RESUMO
Este trabalho propõe uma expressão que permite analisar e comparar os custos dos condutores não convencionais, utilizados em instalações elétricas rurais de baixa tensão. Através dessas análises, demonstrou-se que na maioria das situações, o custo estimado da instalação elétrica rural de baixa tensão, empregando condutores não convencionais, é maior que aquele obtido com a utilização dos condutores convencionais.
Palavras chaves: Eletrificação rural, instalações rurais, condutores não convencionais
ABSTRACT
This paper proposes a mathematical model that permits the analysis and comparison of the costs of unconventional conductors used in low voltage rural electrical installations. Through these analyses, it was demonstrated that in the majority of the situations, the estimated costs of the low voltage in rural electrical installations, when unconvenventional conductors are used, is higher than those obtained with the utilization of conventional conductors.
INTRODUÇÃO
A eletrificação rural, um caso particular de distribuição de energia elétrica, deve ser tratada, hoje, como uma questão social, devendo atender não somente as agroindústrias, mas, principalmente os pequenos produtores rurais, os quais fazem parte, de um modo geral, de populações de baixa renda. Deve ser analisada dentro de uma estrutura que inclua a energia na agricultura, num amplo panorama de desenvolvimento rural. (MUNASHINGHE, 1990) [1]
A energização rural deve ser considerada como um processo contínuo e ordenado do uso de energia para atender os requisitos das atividades domésticas, de transporte, de serviços e de produção, de maneira a possibilitar melhores condições de vida, assim como a qualidade e quantidade dos produtos gerados, em forma compatível com a necessidade da preservação produtiva do meio ambiente.( BEST et al, 1993) [2]
Dentro desse contexto, há que se desenvolver tecnologias simplificadas de construção de redes de distribuição, que sejam capazes de reduzir custos e permitir que produtores de baixa renda tenham acesso a energia elétrica, possibilitando assim, um maior desenvolvimento rural, quer sob o aspecto de mecanização agrícola, quer sob aspectos econômicos, sociais e culturais, corrigindo o desequilíbrio sócio-econômico existente, atualmente, entre as zonas rural e urbana.
Condutores não convencionais, ou seja, condutores que, normalmente, não vinham sendo utilizados em redes de distribuição de energia elétrica, como os condutores de aço zincado e de alumoweld, estão sendo empregados nas redes primárias, principalmente em sistema MRT (Monofilar com Retorno pela Terra), com bom desempenho, reduzindo custos de instalação e de manutenção da linha rural, pois, devido a uma carga de ruptura relativamente maior que os condutores convencionais, permitem a redução da quantidade de estruturas da rede de eletrificação rural. Portanto, embora esses condutores operem com capacidade de corrente inferior aos condutores convencionalmente usados, os mesmos estão sendo utilizados em novos programas de eletrificação rural, em zonas de baixa densidade de carga, aproximadamente, até 50kVA/km2 e, em locais que apresentam topografia favorável, ou seja, em terrenos planos.
A experiência brasileira, no tocante a condutores de aço, é recente. O I Programa Nacional de Eletrificação Rural, implantado no período de 1976 a 1980, abrangendo todos os estados da Federação, mostrou que o cabo de alumínio com alma de aço (CAA), bitola 4 AWG, representava 90 % dos condutores, tanto em linhas troncos como em ramais.
O custo da eletrificação rural consiste no investimento adicional na instalação de centrais geradoras, investimentos nos circuitos de transmissão e distribuição, custo das ligações das cargas rurais e custo da energia, o qual compreende a operação dos geradores e a contabilização das perdas nos circuitos de transmissão e distribuição. (SABHARWAL, 1990) [3]
No Brasil, a ELETROBRÁS desenvolveu um estudo sobre a utilização dos condutores de aço zincado (CAZ), alumoweld (CAW) e alumínio liga (CAL) com expressivas vantagens econômicas no uso desses condutores alternativos, principalmente no sistema MRT (Monofilar com Retorno pela Terra). (ELETROBRÁS, 1981) [4]
Na seleção desses condutores não convencionais, levou-se em conta a rigidez mecânica, em face da maior facilidade de manuseio, por ocasião de sua instalação na obra e a escolha de bitolas que pertencessem à linha tradicional de fabricação nacional, compatibilizando-se, dessa maneira, a linha de produção industrial de fios e cabos, com as necessidades da eletrificação rural brasileira. (ROSA, 1984) [5]
O fio alumoweld é um fio de aço de alta resistência recoberto com uma camada espessa de alumínio puro. É produzido por processo de solda molecular controlada, uma técnica que assegura uma união permanente entre os dois metais, sob todas as condições de trabalho. Tem resistência à corrosão comparável à do fio de alumínio, um terço de sua condutância e oito vezes a resistência mecânica. Comparado com o fio de aço, ele tem a mesma resistência à tração, porém apresenta condutância muito maior.
Comparando-se com o cobre, tomado como padrão, verifica-se que a condutividade do alumoweld é de 20 %, enquanto que a do alumínio é de 60 % e a do aço zincado, em torno de 5%.
Os cabos de alumínio liga (CAL) foram desenvolvidos para preencher a necessidade de um condutor econômico para aplicações aéreas onde são requeridas uma maior resistência mecânica, maior que a obtida com condutor de alumínio (CA) e maior resistência a corrosão que o cabo de alumínio com alma de aço (CAA).
A seleção de condutores para as instalações elétricas de baixa tensão pode ser feita através de três critérios principais: limite de elevação de temperatura, valor da queda de tensão e densidade econômica de corrente, a qual é função do material que é feito o condutor e do número de horas anuais que a máxima carga é transportada.
Considerando-se que os condutores não convencionais têm resistência ôhmica muito elevada, quando comparados com a do alumínio (CA), os fatores predominantes que devem ser levados em conta na análise de custo desses condutores são, fundamentalmente, a queda de tensão e as perdas por efeito Joule.
No cálculo da queda de tensão de um sistema de distribuição rural, dois problemas devem ser considerados: o primeiro, que a maioria das cargas alimentadas são monofásicas, ligadas entre linha e neutro e o segundo, o desconhecimento da natureza exata da carga, seu fator de potência e como se comporta com as variações de tensão. (BRICE, 1992) [6]
A norma BS7450/IEC1059 - "Determinação da otimização econômica da seção de cabos de potência"- adota uma análise econômica baseada na minimização da soma do custo do capital e do custo capitalizado das perdas de energia no sistema. Não aborda a questão da queda de tensão diretamente, embora esteja implícito. (JONES, 1994) [7]
DESENVOLVIMENTO
Para o desenvolvimento deste trabalho adotou-se um sistema de distribuição de energia elétrica em baixa tensão com topologia radial, instalação aérea, circuito monofásico. Os condutores considerados foram: alumínio (CA), têmpera H 19, encordoamento classe AA; aço galvanizado (CAZ), alto teor de carbono (0,30 a 0,85%), zincagem classe A, 215g/m2, zinco tipo HG-ASTM-6; alumoweld (CAW), aço com alto teor e carbono (0,30 a 0,85%), recoberto com alumínio; alumínio liga (CAL) 6201-T81, conforme especificação ASTM B399. Foi utilizado um transformador de distribuição, monofásico, tensão secundária 220/110V, fator de serviço: 1,15.
Foram consideradas estruturas tipo S1 e S2, conforme padrão da ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1982) [8], com postes de eucalipto, 9m de comprimento, com resistência mecânica de 150daN a 20cm do topo.
O número de variáveis que interferem na análise de custo de uma rede de energia elétrica é bastante elevado, e, embora, à primeira vista estas variáveis sejam facilmente identificadas, a estimativa dos seus valores, nem sempre é trivial. Tomando-se por fundamental hipótese, que a seção do condutor será mantida uniforme ao longo do trecho e que a quantidade de estruturas é a mesma para qualquer tipo de condutor analisado, o único custo fixo que pode variar está relacionado com o material empregado na fabricação do condutor.
O custo total em valor presente pode ser determinado através da equação:
onde:
CT: custo total
CC: custo do investimento no condutor
CAP: custo anual de perdas
CAE: custo de investimento em transformador, estruturas, isoladores e ferragens
CMO: custo anual de operação e manutenção
n: tempo de vida útil dos equipamentos, em anos
j: taxa anual de atualização de investimento (CIPOLI, 1993) [9]
O custo do condutor (CC) pode ser determinado pela equação:
onde:
CC: custo de investimento no condutor, em US$
CP: custo do condutor por unidade de peso
P: peso do condutor, em kg
O custo das perdas de energia no condutor, pode ser determinado através da equação
onde:
CAP: custo das perdas, em US$
EP: energia perdida, em kWh
TE: tarifa de energia elétrica, em US$
Tomando-se como referência o cabo de alumínio (CA) e calculando-se o custo de energia dissipada, num certo intervalo de tempo, pode-se determinar o custo das perdas de energia para os demais condutores.
O custo de investimento em transformador, estruturas, isoladores e ferragens (CAE) e o custo anual de operação e manutenção (COM), independem do tipo de cabo a ser instalado e serão considerados constantes, para qualquer tipo de condutor. Sob estas hipóteses, o custo total (CT) será alterado pelos custos do condutor (CC) e das perdas de energia, e a equação (1) pode ser escrita como:
onde: C é constante e representa o custo de investimento em transformador, estruturas, isoladores e ferragens e o custo anual de operação e manutenção. (RODRIGUES, 1995) [10]
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para obtenção dos resultados considerou-se um consumidor alimentado em 220/110V, potência instalada e 5kVA, com fator de carga unitário e fator de potência de 0,72, portanto, com uma corrente de projeto de 23A. Considerou-se vida útil da instalação de 20 anos, valor residual após vida útil de 20 anos, taxa de atualização do investimento, 12% ao ano e período de estudo de 20 anos.
Os custos, tanto de instalação como de perdas, relativos a cada ano do período de estudo, foram referidos ao início do período, obtendo-se o valor presente.
Os custos dos condutores, em US$/kg, estão indicados na Tab. 1.
Para a obtenção do peso dos condutores foi considerada uma rede alimentadora de 300m de comprimento, com bitola constante ao longo do trecho, tanto para carga concentrada, quanto para carga uniformemente distribuída. O peso dos condutores foi obtido como dados dos fabricantes.
Os custos iniciais dos condutores estão indicado na Tab. 2
Na Tab. 3 estão indicados os custos de perdas, no período de um ano, para os diversos condutores em estudo, considerando-se carga concentrada no fim do trecho e carga uniformemente distribuída. O valor da tarifa de energia elétrica para a área rural foi considerado em US$ 0,0591/kWh.
Na Tab. 4 estão indicados os custos totais, em valor presente, para os diversos condutores em estudo, considerando-se carga concentrada e carga uniformemente distribuída.
O estudo da queda de tensão dos condutores em função do cumprimento, tanto para carga concentrada, quanto para carga uniformemente distribuída, indica que apenas três condutores, dentre os analisados, atendem o limite da queda de tensão percentual máxima de 7%, recomendada pela ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1997) [11].
CONCLUSÃO
Dentro desse contexto, analisando-se os resultados obtidos, verifica-se que o condutor de alumínio CA4 AWG é o que apresenta menor custo seguido dos condutores de alumínio liga CAL 25mm2 e CAL 16mm2.
Além disso, embora, o custo de implantação dos condutores de aço zincado, seja muito inferior, quando comparados aos custos dos outros condutores, eles apresentam perdas muito altas e queda de tensão percentual muito além do permitido por norma.
Observa-se que na metodologia utilizada para a análise de custo, considerou-se constante o custo do investimento em transformador, estruturas, isoladores e ferragens, assim como o custo anual de operação e manutenção, para todos os condutores em estudo.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao Departamento de Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia de Bauru - UNESP. pela colaboração na elaboração desse trabalho.
REFERÊNCIAS
[1] MUNASINGHE M. Rural electrification in the third world. POWER ENGINEERING JOURNAL. July 1990. p. 189-202
[2] BEST G., OYHANTÇABAL W. Energizacion para um dessarollo rural sostenible. In: XIV CONFERENCIA LATINO AMERICANA DE ELECTRIFICACION RURAL. 1993. Punta del Este, Uruguay. Anais. Tomo VII. Administracion nacional de Usinas y transmisiones Eléctricas. 1993. 3p.
[3] SABHARWAL, S. Rural electrificacion cost including transmission and distribution losses and investements. IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION. Vol. 5. nº 3. 1990. p493-500.
[4] ELETROBRÁS Distribuição em alta tensão com retorno pela terra para áreas rurais. Departamento de Eletrificação Rural. Rio de Janeiro, 1981. 47p.
[5] ROSA, N.S. Condutores para a eletrificação rural. In: SEMINÁRIO SOBRE ALTERNATIVAS PARA REDUÇÃO DE CUSTOS NA ELETRIFICAÇÃO RURAL. Recife, 1984. Anais. Recife. Superintendência do Desenvolvimento do Nordeste. Companhia de Eletricidade de Pernambuco, 1984. 124p.
[6] BRICE, C.W. Voltage drop calculations and power - flow studies for rural electric distribution lines. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS. Vol. 28, nº 4. 1992. p 774-784
[7] JONES, K.M. Aspectos econômicos no dimensionamento de cabos de baixa tensão. Eletricidade Moderna, nº 241. 1994. p 64-67
[8] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR5483/82. Redes de distribuição aérea urbana de energia elétrica. Rio de janeiro, 1982. 113p.
[9] CIPOLI, J.A. Engenharia de distribuição. Qualitymark Editora. Rio de janeiro. 1993.241p
[10] RODRIGUES, R.M. Uso de condutores não convencionais em instalações elétricas rurais. Botucatu: UNESP, 1995. 100p. Tese (Doutorado em Agronomia). Faculdade de Ciências Agronômicas. Universidade Estadual Paulista . 1995.
[11] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR5410/97. Instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro, 1997. 164p.