melhoria na rede de distribuição de energia elétrica
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Novo sistema de distribuição mais barato e sem cabos a cruzar as viasTRANSCRIPT
ANHANGUERA EDUCACIONAL LTDA
Faculdade Anhanguera de Piracicaba
Engenharia Elétrica
Claudemir Stenico
Melhoria na Rede de Distribuição de Energia Elétrica
Piracicaba2014
Claudemir Stenico
Melhoria na Rede de Distribuição de Energia Elétrica
Monografia apresentada como exigência parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Elétrica na Faculdade Anhanguera de Piracicaba, sob a orientação do prof. Me. Eduardo Lourenço Mappa.
Piracicaba2014
Título da Monografia
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Elétrica da Faculdade Anhanguera de Piracicaba.
Aprovado em Novembro de 2014.
________________________________
Prof. Me. Eduardo Lourenço Mappa Faculdade Anhanguera de Piracicaba
Orientador
________________________________
Profa. Esp. Taís Amstalden Menegatti Anhanguera de Piracicaba
Avaliadora
________________________________
Prof. Me. Odair dos Santos Mesquita Nome da Instituição
Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica
Piracicaba2014
Este trabalho é dedicado ao melhor pedaço do Céu na Terra, minha filha Dominique.
AGRADECIMENTOS
À família, pela ajuda e apoio.
Aos amigos, pelo apoio e compreensão.
Aos professores, pela compreensão e dedicação.
A todos que, direta ou indiretamente contribuíram, para a realização deste trabalho.
“O dia em que descobrirmos exatamente o que é a eletricidade, isso irá marcar um evento provavelmente maior, mais importante que qualquer outro na História da Humanidade. Então, será apenas uma questão de tempo para que o Homem consiga ligar suas máquinas diretamente à própria natureza. Imagine o que está por vir...”.
Nikola Tesla
RESUMO
STENICO, Claudemir. Título: Melhoria na Rede de Distribuição de Energia Elétrica. 2014. 20 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharel em Engenharia Elétrica) – Faculdade Anhanguera de Piracicaba, Anhanguera Educacional S.A., Piracicaba, 2014.
Atualmente a rede de distribuição de energia faz o uso de uma fotocélula
para cada lâmpada na iluminação pública. Os cabos de baixa tensão
atravessam as vias, podendo ser causa de muitos acidentes e com isso
transtornos para o consumidor. As luminárias apresentam um enorme
desperdício de luminosidade e energia, apresentando grande poluição
luminosa. Ainda, essas vias estão dispostas num emaranhado de cabos
quase caótico. Este projeto visa otimizar todo o sistema de distribuição de
energia elétrica que pode vir a ser implantado em novos loteamentos. O
objetivo é dividir a rede elétrica por quadras, sendo estas isoladas uma
das outras, promovendo maior eficiência na proteção da rede. Cada
quadra será provida por um transformador, não havendo a necessidade de
cabos de baixa-tensão a cruzar as vias, tornando a arquitetura mais
organizada. A rede de alta tensão terá apenas o cabeamento até os
transformadores. A iluminação será provida dos dois lados do pavimento e
uma vez que tendo maior distância entre os postes, viabilizaria o plantio
de árvores. Lâmpadas, de LEDs, alimentadas por baterias e independentes
da rede, proverão uma iluminação mais clara e mais econômica. Essas
modificações deixarão a rede mais eficiente e harmoniosa. Esse é o
primeiro relato propondo esse tipo de otimização em redes de iluminação.
Palavras-chave: rede de distribuição de energia elétrica, energia
sustentável, eficiência na rede de distribuição.
ABSTRACT
STENICO, Claudemir. Improvement of Network Power Distribution. Piracicaba, 2014. 35p. Monograph (Bachelor in Electrical Engineering) – Faculdade Anhanguera de Piracicaba, Anhanguera Educacional S.A., Piracicaba, 2014.
Currently the power distribution network does the use of a photocell for
each lamp in public lighting. The low-voltage cables crosses the streets
that may be a cause of many accidents and thus inconvenience to the
consumer. The luminaires feature a huge waste of energy and light, with
great light pollution. Still, these pathways are arranged in a tangle of
cables almost chaotic. This project aims to optimize the whole system of
power distribution that might be deployed in new neighborhoods. The goal
is to divide the power distribution network by blocks, which will be isolated
from each other, which will promoting greater efficiency in network
protection. Each block will be supplied by a transformer, without the need
for low-voltage cables cross the streets, making a more organized
architecture. The high-voltage grid will have the only path until the wiring
transformers. The lighting will be provided on both sides of the street and
once taking greater distance between the uprights, would allow the
planting of more trees. Lamps of LEDs, supplied by batteries and
independent of the network, will provide a clearer and more efficient
lighting. These modifications will offer a most efficient and harmonious
network. This is the first report proposing this type of network optimization
lighting.
Key-words: distribution network of electric energy, sustainable energy,
efficiency in the distribution network.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Estados operativos da topologia de uma rede de distribuição....................7
Figura 2 – Locais adequados para instalação de rede de distribuição aérea...............10
Figura 3 – Imagem mostrando disposição dos transformadores...............................14Figura 4 – Imagem mostrando disposição dos transformadores...............................15Figura 5 – Imagem mostrando cabos atravessando a rua.......................................18
Figura 6 – Imagem mostrando cabos atravessando a rua.......................................18
Figura 7 – Proposta do novo sistema para rede de distribuição de alta e baixa tensão para 4 quadras e conexão nas residências........................................................20
Figura 8 – Sistema atual de distribuição de alta e baixa tensão para 4 quadras e conexão nas residências.........................................................................................21
Figura 9 – Visualização da rede de distribuição de energia elétrica e iluminação pública em quadras de 100 m × 50 m com 20 residências de 10 m × 25 m..........................22
Figura 10 – Gráfico do custo de implantação em vários sistemas............................26
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Dados de Relatório de Manobra.........................................................6
Tabela 2 - Consumo de energia elétrica por classe (GWh) ....................................11
LISTA DE SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas e TécnicasANEEL Agência Nacional de Energia ElétricaAT Alta TensãoBT Baixa Tensão CPFL Companhia Paulista de Força e LuzLED Light Emissor Diode (Diodo Emissor de Luz)MT Média Tensão
SUMÁRIO..............................................................................................
AGRADECIMENTOS.............................................................................iv
RESUMO............................................................................................vi
ABSTRACT........................................................................................vii
LISTA DE FIGURAS............................................................................viii
LISTA DE TABELAS.............................................................................ix
LISTA DE SIGLAS.................................................................................x
Introdução...............................................................................................1
Capítulo 1 - Revisão Bibliografica..........................................................................................................4
Capítulo 2 - Metodo da Pesquisa........................................................13
Capítulo 3 – Análises e Resultados.....................................................14
Capítulo 4 – Considerações Finais......................................................27
Referências......................................................................................28
Introdução
Este projeto propõe uma reestruturação na rede de
distribuição de energia elétrica, com o objetivo de torná-la mais
eficiente, com menos perda de energia, mais harmoniosa e menos
propensa a acidentes.
À medida que a tecnologia tomou conta do século 21, torna-se
necessário um avanço não somente nos equipamentos, mas também
na infraestrutura que os alimenta. O estudo de todos os elementos
envolvidos na estrutura da rede de distribuição de energia elétrica
tem sido comum, assim como o serviço de manutenção e reparo.
Uma proposta e uma nova visão de desenho do sistema podem vir a
ser um avanço nesse segmento.
Esse estudo tem como objetivo propor mudanças e
reestruturação dos dispositivos que compõem a rede de iluminação
pública e de distribuição de energia. Atualmente, observa-se uma
poluição visual, onde pode ser observado o uso de uma fotocélula em
cada poste e cabos atravessando as vias, em um emaranhado de fios
facilitando acidentes e causando transtornos. A iluminação pública
tem um enorme desperdício de luminosidade e energia, com uma
grande poluição luminosa dispersada. O intuito é o aperfeiçoamento
do sistema, para a melhor distribuição e otimização de todos os seus
aparatos, que poderá vir a ser implantado em novos loteamentos.
Para isso, serão necessárias algumas modificações, assim como a
distribuição da rede dividida sempre por quadras (quarteirões) que
isoladas uma das outras e providas por um transformador, promoverá
mais eficiência na proteção da rede. Com esse novo sistema não
1
haverá necessidade de cabos de baixa-tensão a cruzar as vias,
evitando assim acidentes causados por veículos mais altos e contudo
oferecer uma arquitetura mais organizada. A rede de alta tensão fará
seu circuito apenas até os transformadores em linha reta,
economizando também com o cabeamento.
A iluminação, independente da rede de distribuição, será
provida dos dois lados do pavimento. Os postes estarão posicionados
com maior vão de espaçamento entre eles, viabilizando assim, o
maior plantio de árvores de pequeno porte ao longo das vias.
Somente duas fotocélulas serão usadas para todas as luminárias do
quarteirão, sendo uma apenas como redundância para caso de avaria
da primeira. As lâmpadas, de LEDs (Light Emissor Diode), fornecem
uma iluminação mais clara e com nenhum consumo de energia da
rede.
Com essas adaptações e modificações a rede estará mais
segura, mais harmoniosa, evitando perdas desnecessárias e
aumentando a eficiência na entrega da energia, além de estar melhor
preparada para a nova tecnologia Smart-Grid (rede inteligente), na
qual é aplicada a tecnologia da informação para o sistema elétrico,
onde é integrada aos sistemas de comunicação e infraestrutura de
rede automatizada.
O ideal seria que toda a rede de cabeamento da distribuição
de energia elétrica fosse projetada e planejada para ser totalmente
subterrânea, mas por ter um custo muito mais elevado (UMESP,
2013), isso não é uma prática no Brasil - a não ser em cidades
projetadas e com arquiteturas urbanas planejadas, como no caso da
capital Brasília. Para tanto, propõem-se então, que ao menos haja
uma rede de distribuição menos caótica e o mais harmoniosa
possível. Com a rede de distribuição organizada em “células”, ou seja,
por quadras, todo projeto de uma rede pode ser definitivo, não
necessitando de alteração a cada inclusão de novos consumidores.
2
Até o momento não há relatos na literatura ou já implantado
em algum país desse tipo de modificação na distribuição de rede
elétrica.
Esse projeto é viável por abordar um tema importante na área
que será de grande valia para futuros pesquisadores. É possível de
ser executado, pois há a presença de um orientador disponível para
acompanhar sua execução, por ter bibliografia disponível para
pesquisa e não onerar custos.
Esta monografia está estruturada em 4 capítulos. O primeiro
capítulo apresenta a revisão da literatura sobre a infraestrutura da
rede de distribuição de energia elétrica. O segundo capítulo trata da
proposta para um novo sistema de distribuição, visando a eficiência,
agilidade no reparo e menor tempo de interrupções. O terceiro
capítulo descreve as análises e os resultados mostrando as vantagens
e economia ao adotar este novo sistema. Por fim, são apresentadas
as conclusões a que se chegou sobre uma nova maneira de distribuir
energia e aos objetivos propostos; são também apresentadas
algumas possibilidades de trabalhos futuros.
3
Capítulo 1 - Revisão Bibliográfica
A rede de distribuição de Energia Elétrica requer um
planejamento do sistema, o que contempla altos custos de
investimentos e de operação, somados ao fato que o sistema de
distribuição é o que se conecta diretamente com os consumidores. O
montante dos investimentos a serem aplicados nos projetos de
planejamento de redes de distribuição leva em conta que a demanda
de consumo de energia elétrica desse sistema não é estática e
aumenta geográfica e temporalmente, o que impõe a necessidade da
expansão da rede, construção de novas linhas e/ou troca das linhas
existentes por outras de maior capacidade e ampliação das
existentes. Os custos relacionados a estes investimentos e de
operação da rede, satisfazendo um conjunto de restrições
operacionais, físicas e financeiras, constituem o problema de
planejamento (COSSI, 2008). Considerando o custo de implantação e
manutenção de uma rede de distribuição aérea compacta, na qual a
rede secundária é toda isolada, tem-se, segundo Velasco (2003, s/p),
De acordo com as concessionárias, o custo de implantação de rede aérea convencional variou de R$ 54 188,39/Km à R$ 67 571,43/Km e de R$ 1 103,80/Km à R$ 20 028,83/Km só para rede primária. O custo de implantação de rede compacta variou de R$ 36 519,61/Km à R$ 62 215,99/Km. O custo de transformação de rede convencional para compacta variou de R$ 31 063,64/Km à R$ 42 952,90/Km. O custo de implantação de rede subterrânea foi de R$ 436 585,04/Km, incluindo as obras civis. O custo de poda, em rede primária foi R$ 20,00/árvore e em secundária de R$ 6,00/árvore. Considerando rede primária + secundária, o custo variou de R$ 32,02 à R$ 68,82/árvore.
4
O sistema de distribuição é subdividido em dois subsistemas:
primário, (média tensão – MT), quando a tensão entre fases cujo valor
eficaz é superior a 1 kV e inferior a 69 kV (ANEEL, 2011/2012) e
secundário (baixa tensão – BT), quando a tensão entre fases cujo
valor eficaz é igual ou inferior a 1 kV (ANEEL, 2011/2012).
Normalmente, devido ao elevado grau de dificuldade imposto pela
natureza combinatória do problema de planejamento desses dois
sistemas, o problema de planejamento de redes de MT e circuitos de
BT é realizado de forma separada (GÖNNEN, 1986, apud COSSI,
2008).
Um sistema de distribuição de energia elétrica atendendo um
número fixo de consumidores pode ser realizado num planejamento
de forma estática, diminuindo assim o custo no planejamento de
expansão da rede. O modelo padrão considera número, localização e
o tipo dos transformadores, além da melhor conexão destes à rede
primária e aos pontos de carga, o que leva em consideração os custos
próprios de instalação e operação das redes primária e secundária,
bem como os custos dos diferentes tipos de transformadores. Além
disso, são respeitadas as condições de radialidade da rede e os
limites de queda de tensão (COSTA, 2002). A adaptação proposta no
presente trabalho consiste buscar uma solução considerando-se o
custo e dificuldades, propondo mudanças como no comprimento de
ramais normais (até 500 m) que alimentando somente
transformadores de distribuição não necessitam de cálculo de queda
de tensão (CPFL, 2012).
No que tange a manutenção da rede, existe também alto custo
e morosidade na restauração do serviço em caso de interrupções. A
manobra de restauração, assim denominada, leva em média 51
minutos por falha (SPERANDIO, 2008), podendo chegar a muito mais
tempo que isso, como mostra a tabela a seguir:
5
Tabela 1 - Dados de Relatório de Manobra.
Fonte: SPERANDIO, 2008
É preciso realizar uma pesquisa nos relatórios de ocorrências,
onde estão reportadas as falhas dos equipamentos e as manobras
feitas pelas equipes de reparo para isolar a falha, com seus
respectivos tempos (SPERANDIO, 2008). A necessidade de
investigação em campo, desligamento ou remanejamento de partes
da rede para a localização do problema onde ocorreu a interrupção
demanda pessoal, transporte e inconveniência em muitos casos.
Segundo Ferreira (2010, p. 14)
No desenvolvimento de pesquisa na área do planejamento da operação de sistemas de distribuição de energia elétrica, o tema da reconfiguração da rede de distribuição tem sido abordado com diversos enfoques, visando quatro grandes objetivos: a redução de perdas, o balanceamento da distribuição da carga, o suporte volt/var, e a reconfiguração da rede para restabelecimento de fornecimento em situações de contingência.
A reconfiguração da rede é tipicamente um problema de
otimização combinatória. Metodologias de reconfiguração de redes de
distribuição com o objetivo de melhoria dos índices de confiabilidade
foi proposta utilizando algoritmos de busca completa, mediante a
6
premissa de manutenção da estrutura radial com avaliação de
alternativas de fechamento de uma chave normalmente aberta e a
correspondente abertura de uma chave normalmente fechada à
montante. Estas propostas viabilizam a obtenção de resultados em
cenários de pequeno e médio porte, porém apresentam problemas de
escalabilidade. Devido à natureza combinatória do espaço de
soluções, a sua utilização é inviável em situações reais de maior
porte.
Cada vez mais são usadas metodologias para solução do
problema da reconfiguração de redes de distribuição em situações de
emergência, situações onde existem consumidores não atendidos.
Desta forma, a metodologia deve oferecer soluções de boa qualidade,
em um curto intervalo de tempo. O problema da reconfiguração de
redes de distribuição é classificado na literatura um problema NP-
Completo. Na Ciência da Computação, é classificado como NP-
Completo todo problema para o qual, qualquer solução pode ser
verificada em um tempo polinomial (FERREIRA, 2010). Existe nessa
pesquisa uma proposta de metodologia para reconfiguração de redes
de distribuição, com abordagem ao objetivo de redução de perdas.
Considerando o aspecto da topologia da rede, pode-se construir um
conjunto de três estados operativos para representar as condições de
operação de uma rede de distribuição de energia, como é mostrado
na figura a seguir:
Figura 1 - Estados operativos da topologia de uma rede de distribuição.
7
Fonte: FERREIRA, 2010.
Sendo considerados aspectos da topologia da rede, pode ser
construído um conjunto de procedimentos operativos para
reconfiguração da rede de distribuição:
1. Estado Normal: A topologia da rede está configurada na sua
situação regular de uso e todos os consumidores estão sendo
atendidos;
2. Estado de Emergência: Quando algum evento como falta ou
curto-circuito ocorre em algum alimentador;
3. Estado de Reconfiguração: Ocorre quando a topologia da
rede foi alterada. Esta alteração pode ter sido provocada pela
atuação de dispositivos de proteção ou por manobras.
Em caso de falha no sistema ou a necessidade de manutenção
na rede de distribuição, existe um procedimento para a
reconfiguração que é executada da maneira descrita a seguir,
conforme Ferreira (2010):
1. Identificação do local do evento de contingência;
2. Execução do isolamento, à montante e à jusante, do menor
trecho do alimentador que contenha o local identificado na operação
1. O isolamento é feito mediante a abertura de chaves de manobra;
8
3. Identificação de possibilidades de mudança na topologia da
rede, mediante mudança em outras chaves de manobra, comparando
com a situação atual, posterior a isolação realizada na operação 2.
4. Realização da manutenção;
5. Retorno à topologia normal de operação da rede.
O problema objeto da metodologia proposta neste trabalho
consiste no isolamento dos circuitos em quadras, simplificando assim
o plano de manobras das chaves existentes na rede que permita
executar com maior rapidez a reconfiguração em uma situação de
contingência ou para uma manutenção programada.
O isolamento elétrico do local do evento de contingência é um
problema de mapeamento da topologia da rede para identificação
das chaves de manobra imediatamente à montante e à jusante deste
ponto (FERREIRA, 2010).
Outro assunto relevante e pertinente à rede de distribuição de
energia é a arborização viária. Na maioria das vezes torna-se um
problema pelo fato de que a arborização e as implantações dos
sistemas elétricos são planejadas e realizadas de forma
independente. O sucesso do Projeto de Arborização Urbana deve
conhecer os problemas ambientais e a necessidade de se tomar
providências eficazes para um futuro meio ambiente muito próximo
do desejado. Muitas vezes a rede de distribuição de energia elétrica
fica comprometida com o maior plantio de árvores ao longo das vias.
Vale ressaltar que as árvores de pequeno porte ou as espécies de
grande porte trazem benefícios realmente significativos para o meio
urbano (dentre tais benefícios, destaca-se a sombra proporcionada).
Portanto, buscar alternativas para ter-se uma boa convivência entre
rede e arborização viária é de suma importância (VALESCO, 2003).
Atualmente os projetos de cabeamento, postes e
transformadores para novos loteamentos residenciais e industriais
são normatizados e especificados pela concessionária administradora
da rede de distribuição. No caso da cidade de Piracicaba, a CPFL
9
(Companhia Paulista de Força e Luz), normatiza que o vão médio
entre os postes deverá ser de 35 m e a distância máxima entre
postes na via pública deverá ser de 40 m (CPFL, 2013) e especifica
altura de 11 m para postes que contenham transformadores e que
tenham resistência nominal de força mecânica de 400 daN, para o
fornecimento de energia elétrica em tensão primária (CPFL, 2014).
Com o planejamento proposto nesse projeto pode haver uma
economia de postes e até no cabeamento de alta tensão. A seguir um
desenho mostra como se distribui o posteamento:
Figura 2 - Locais adequados para instalação de rede de distribuição aérea.
Fonte: CPFL, 2013
10
A iluminação pública é outro assunto importante quando se
trata de eficiência energética. Em 2011, foram consumidos quase 130
mil GWh (Gigawatt-hora (GWh) equivale a 109 Wh ou 3,6 × 1012
joules. Um Wh é a quantidade de energia utilizada para alimentar
uma carga com potência de 1 Watt pelo período de uma hora; 1 Wh é
equivalente a 3.600 joules) de energia elétrica, em todo o estado de
São Paulo. Dentre as classes de consumo de energia elétrica
existentes, a iluminação pública respondeu por 2,3% desse total, ou
seja, cerca de 3 mil GWh, conforme mostrado na Tabela 2
(SECRETARIA DE ENERGIA DO GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO,
2013).
Tabela 2 – Consumo de energia elétrica por classe (GWh) – Estado de São Paulo 2011
Fonte: Anuário Estatístico SEE, 2012.
É estimado um custo mensal entre R$ 8,00 e R$ 15,00 de
operação e manutenção de cada ponto, ou conjunto luminotécnico -
na nomenclatura técnica - podendo em muitos casos, ultrapassar
esse valor máximo. Essa variação está fortemente atrelada ao
número de pontos existentes, dentre outros fatores (SECRETARIA DE
ENERGIA DO GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO, 2013).
11
Na iluminação pública atualmente são usadas as lâmpadas a
vapor de sódio, que além de possuírem mercúrio como elemento
principal, possuem o sódio e são classificadas como lâmpadas de
descarga.
De acordo com Nascimento (2012, p. 9),
Lâmpadas de descarga que são lâmpadas que funcionam a partir da descarga elétrica ocorrida num dielétrico (gás existente internamente à lâmpada). Essa descarga quando ocorre pode gerar luz de forma direta ou gerar ondas eletromagnéticas no comprimento de onda do ultravioleta (abaixo dos 380 ηm). Quando isso ocorre a lâmpadas de descarga precisam converter a emissão de ultravioleta em luz. Na maioria das vezes essa conversão é feita através de pós fluorescentes que revestem a superfície interna das lâmpadas convertendo a radiação ultravioleta em radiação visível. Em função de essa descarga elétrica ocorrer em um gás, para se controlar a corrente que circula nessa descarga há a necessidade do uso de equipamento de controle dessa descarga chamado reator. Toda lâmpada de descarga precisa de um reator ou algum elemento de controle da corrente elétrica que circula pela lâmpada.
As lâmpadas a vapor de sódio emitem energia eletromagnética
dentro do espectro de 380 a 780 ηm diretamente (faixa visível do
espectro - luz). Como benefícios resultantes, a eficiência das
lâmpadas a vapor de sódio atinge, dependendo da potência da
lâmpada, eficiências de 70 a 150 lm/W (lumens por watt). O modo de
como comparar a eficiência luminosa, seria a capacidade de
conversão de energia elétrica em luminosa, expressa pela razão entre
o fluxo luminoso emitido por uma fonte de luz (em lumens) e a
potência elétrica consumida por essa mesma fonte (em watts). Uma
lâmpada de LED tem uma eficiência de 120 lm/W. A vida útil de uma
lâmpada de vapor de sódio pode chegar a 32.000 h, enquanto que
uma lâmpada de LED chega até 100.000 h (NASCIMENTO, 2012).
Se a iluminação pública for substituída por lâmpadas mais
eficientes, como as de LED, que é uma das propostas deste projeto,
poderá haver muito mais economia e uma melhor iluminação das vias
públicas.
12
Capítulo 2 – Método da Pesquisa
Esta pesquisa é classificada como exploratória descritiva
quanto à sua metodologia, pois analisa uma melhoria a ser
implantada em um sistema. E também vista como uma pesquisa de
cunho qualitativo por não mensurar dados a longo prazo e sim,
observar um fenômeno.
Como bibliografia foram usadas fontes secundárias como
livros, páginas da Rede Mundial de Computadores (Internet)
especializadas, normas e teses publicadas.
13
Capítulo 3 – Análises e Resultados
Com a rede de distribuição de energia elétrica dividida em
“células”, ou seja, por quarteirões, facilita-se o isolamento de defeitos
na rede, contendo cada quadra um transformador. Assim já vem
sendo feito há algum tempo em muitos bairros, mas sem o intuito e
intenção que propõe esta pesquisa, como pode ser observado a
seguir nas imagens de três ruas paralelas em um loteamento novo
em Piracicaba:
Figura 3: Imagem mostrando disposição dos transformadores.
Fonte: Imagem registrada da via.
14
Figura 4: Imagem mostrando disposição dos transformadores
Fonte: Imagem registrada da via.
Com os transformadores dispostos em uma das esquinas, o que
definirá isso será a direção de onde virá a rede de alta tensão, haverá
mais facilidade em isolar os circuitos, podendo ser divididos a cada
quatro ou oito quarteirões, ou como melhor convier à concessionária.
Isso ofereceria mais facilidade e agilidade para identificar falhas, pois
tendo um chamado de interrupção de energia, saber-se-ia
exatamente a quadra, já que o transformador estará isolado para
apenas aquele quarteirão.
Posicionada sobre os transformadores, também haverá uma
placa fotovoltaica de 1 m2, que gerando 100 W (BOYLESTAD, 2009),
inclinada a 32° - usa-se para cálculo a latitude do local, no caso
Piracicaba está a 22° de latitude sul + 10° que seria uma
compensação no período de inverno, no qual o Sol faz sua trajetória
pelo meridiano celeste num ângulo mais baixo - e direcionadas para o
ponto cardeal norte, pois estamos no hemisfério sul. A bateria poderá
15
ser acomodada em algum suporte em “L” abaixo da placa
fotovoltaica.
Com uma autonomia de 70 Ah, será suficiente para suprir um
quarteirão padrão de 100 m × 50 m, pois terá 6 luminárias por
quadra com lâmpadas de 28 W funcionado por no máximo 10 horas
por dia. A proposta é de serem usadas baterias de íons, que tem uma
durabilidade maior, podendo chegar até 12 anos. (EXIOM SHOP,
2014).
Iluminação
Para o cálculo de corrente para o circuito das lâmpadas de LED – 28
W tem-se:
28 W × 6 lâmpadas = 168 W
168 W / 24 V = 7 A
7 A × 10 h = 70 Ah (bateria a ser utilizada)
70Ah × 24 = 1,68kWh (consumo das lâmpadas por dia)
Tensão de alimentação das lâmpadas 220 V, será
instalado um inversor acoplado a um transformador.
Corrente do circuito lado 220 V = 763,64 mA
Será utilizado cabo de 4 mm² com queda de tensão
máxima de 4,23%
As lâmpadas de LED de 28 W, que atingem cerca de 2000
lumens, o equivalente às de 100 W de vapor metálico. Terá um
circuito independente da distribuição de energia, estando assim
isoladas de toda a rede. Qualquer interrupção no fornecimento de
energia elétrica não afetará a iluminação pública, o que seria de uma
segurança e qualidade de iluminação sem igual.
Acopladas a esse circuito estará duas fotocélulas - uma apenas
como redundância – e não uma para cada luminária como é instalada
nos dias atuais, economizando muito também neste aspecto. No caso
16
extremo de falta de iluminação de todo o quarteirão seria fácil a
identificação do problema.
Com este sistema de iluminação serão eliminados todos os
reatores usados atualmente para acionamento das lâmpadas de
vapor metálico e haveria assim menos perturbações na rede
provocadas por esses dispositivos.
Posteamento
Neste novo sistema proposto, os postes de concreto de 1200
daN serão necessários apenas para os que sustentam o
transformador, a bateria e a placa fotovoltaica, os demais poderão ser
de 200 daN.
O vão entre os postes da mesma quadra será de 50 a 60
metros, um pouco maior do que pratica a concessionária atualmente
(40 m), oferecendo assim mais espaço para o plantio de árvores de
pequeno porte.
Apesar de um vão maior entre os postes a iluminação não será
prejudicada, pois haverá postes dos dois lados da via provendo
iluminação e a distância entre uma luminária e outra será de apenas
33 m, menor do que se dispõe hoje.
Cabeamento
Cabeamento de baixa tensão
No sistema utilizado atualmente, a distribuição é feita em
apenas um dos lados da rua, tendo a necessidade de cruzar os cabos
por toda a via para a conexão das residências, como é mostrado nas
imagens a seguir:
17
Figura 5: Imagem mostrando cabos atravessando a rua.
Fonte: Imagem registrada da via.
A conexão das residências à rede dá-se cruzando os cabos de
baixa tensão, o que torna o sistema muito suscetível à acidentes com
veículo mais altos.
Figura 6: Imagem mostrando cabos atravessando a rua.
18
Fonte: Imagem registrada da via.
Tomando por padrão uma rede de quatro quarteirões de 100 m
× 50 m, terrenos de 7 m × 25 m com conexões a 28 residências, pelo
novo formato de distribuição proposto neste projeto, usa-se em torno
de 400 m para conectar 28 residências (um quarteirão) e 1000 m
na distribuição da rede para as quatro quadras (400 m × 4 = 1600 m
+ 1000 m = 2600 m). E pelo formato usado atualmente são utilizados
também cerca de 400 m para conectar 28 residências e 640 m na
distribuição da rede para quatro quadras (1600 m + 640 m = 2240
m). Apesar do aumento em 360 m de cabo, que pode vir a ser
compensado o custo com economia em postes e cabo de alta tensão,
além de se ter uma rede de distribuição mais harmoniosa e menos
propensa a acidentes.
Cabeamento de alta tensão
Para o cabeamento de alta tensão foram usados os mesmos
padrões (para quatro quarteirões) e mostram uma diferença
considerável, onde o método novo proposto usa-se cerca de 220 m de
cabo, no método tradicional são usados em torno de 640 m, o que
indica ser mais econômico e viável, atendendo de forma mais
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eficiente no que diz respeito à segurança, como mostra a figura a
seguir:
Figura 7: Proposta do novo sistema para rede de distribuição de alta e baixa tensão para 4 quadras e conexão nas residências.
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Fonte: Desenho elaborado para este projeto (rede de AT – rosa, BT – verde).
A figura a seguir mostra como é feita a distribuição de alta
tensão, baixa tensão e conexão com as residências no sistema
praticado atualmente pela concessionária.
Figura 8: Sistema atual de distribuição de alta e baixa tensão para 4 quadras e conexão nas residências.
21
Fonte: Desenho elaborado para este projeto.
Este novo sistema proposto terá maior economia com
fotocélulas, postes e cabos de alta tensão. Oferecerá maior agilidade
de reparo em caso de ocorrência, a qual terá uma identificação
imediata do setor em que se encontra o circuito, pois a rede estará
dividida em blocos. Terá uma iluminação sem consumo algum, pois
será provida pela energia solar e terá menor distância entre
luminárias do que é praticado atualmente, proporcionando uma
iluminação mais eficiente como mostrado na figura a seguir:
Figura 9: Visualização da rede de distribuição de energia elétrica e iluminação pública em quadras de 100 m × 50 m com 20 residências de 10 m × 25 m.
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Fonte: Desenho elaborado para esse projeto.
Estudo de caso
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Residência
Rede de alta tensão
Rede de baixa tensão
Transformador
Disposição dos postes e luminárias
Todos os cálculos para a comprovação de vantagem econômica
dar-se-ão a seguir com valores aproximados para quatro quarteirões
padrão de 100 m × 50 m com 28 residências de 7 m × 25 m cada.
Fotocélula
Para o cálculo de economia em fotocélula, tem-se os seguintes
valores:
Sistema atual:
24 fotocélulas × R$ 20,00 = R$ 480,00
Sistema proposto:
8 fotocélulas × R$ 20,00 = R$ 160,00
R$ 480,00 – R$ 160,00 = R$ 320,00 (economia)
Postes
O cálculo de economia em postes dá-se da seguinte maneira:
Para o sistema atual são no total em média 24 postes, sendo:
4 (1200 daN) × R$ 800,00 = R$ 3200,00
20 (800 daN) × R$ 600,00 = R$ 12000,00
R$ 3200 + R$ 12000 = R$ 15200,00
Para o sistema proposto no total de 24, dos quais:
4 (1200 daN) × R$ 800,00 = R$ 3200,00
20 (200 daN) × R$ 200,00 = R$ 4000,00
R$ 3200 + R$ 4000 = R$ 7200,00
R$ 15200,00 – R$ 7200,00 = R$ 8000,00 (economia)
Cabo de alta tensão
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O cálculo a seguir mostra a economia do cabeamento na rede
de alta tensão:
Sistema atual:
640 m × R$ 5,00 = R$ 3200,00
Sistema proposto:
220 m × R$ 5,00 = R$ 1100,00
R$ 3200,00 – R$ 1100,00 = R$ 2100,00 (economia)
Custo do cabo de baixa tensão
O cálculo do custo do cabeamento para rede de distribuição de
baixa tensão é mostrado a seguir:
Sistema atual:
2240 m × R$ 20,00 = R$ 44800,00
Sistema proposto:
2600 m × R$ 20,00 = R$ 52000,00
R$ 52000,00 – R$ 44800,00 = R$ 7200,00
Apesar de haver um custo maior no cabo de baixa tensão, este
pode ser compensado pela economia em postes, fotocélulas e cabos
de alta tensão, economizando ainda assim o valor de R$ 3220,00.
Custo para iluminação
O cálculo de custo para o novo circuito de iluminação proposto
é mostrado a seguir:
A iluminação no sistema atual tem um custo aproximado de:
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Luminária: R$ 170,00
Lâmpada de vapor metálico: R$ 35,00
Reator: R$ 70,00
Total: R$ 275,00
Para quatro quarteirões (× 24 luminárias) = R$ 6600,00
No sistema proposto com circuito isolado da rede de
distribuição:
Cabo 4 mm2: 250 m × R$ 1,20 = R$ 300,00
Placa fotovoltaica: R$ 500,00
Conversor: R$ 300,00
Banco de baterias: R$ 200,00
Luminária: R$ 150,00 × 6 postes = R$ 900,00
Lâmpada de LED: R$ 100,00 × 6 luminárias = R$ 600,00
Total: R$ 2800,00
Para quatro quarteirões = R$ 11200,00
Custo do novo sistema: R$ 11200,00 – R$ 6600,00 = R$ 4600,00
A diferença entre os custos para implantação do novo sistema
de iluminação encarece cerca de R$ 4600,00 por quatro quarteirões.
Descontando essa diferença da economia em fotocélulas, postes e
cabos de alta tensão, tornaria o custo líquido de aproximadamente
R$ 1380,00, que poderá ser recuperado em seis meses pela
economia do sistema fotovoltaico, pois não será consumida energia
elétrica da rede, apenas do banco de baterias recarregadas pelo sol.
O cálculo a seguir mostra que depois desse período, o custo de
implantação (para 4 quarteirões) do novo sistema de iluminação já
terá sido compensado:
* 2400 W (potência de 24 lâmpadas vapor metálico 100 W)
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* 2400 W × 10h = 24 kW (tempo de iluminação diária)
* R$ 0,31686 - tarifa por kWh da CPFL Piracicaba (ANEEL, 2014)
* 24 kW × R$ 0,31686 = R$ 7,60 (por dia)
* R$ 1380,00 (custo) / R$ 7,60 (economia) = 181 dias (~6
meses)
Para melhor visualização, fora elaborado um gráfico onde
encontram-se os tipos de rede de distribuição de energia. Existe certa
dificuldade em mensurar o novo sistema em extensão por
quilometragem como é feita em outros, pois seria uma nova forma de
distribuição, dividida em células, ou seja, por quarteirões, o que
desconsidera a radialidade atual. O gráfico apresenta uma
comparação dos custos de implantação aproximados entre três
sistemas diferentes.
Figura 10 – Gráfico do custo de implantação em vários sistemas
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Capítulo 4 – Considerações Finais
A rede de distribuição de energia elétrica no Brasil tem muitas
perdas, com muita morosidade no reparo de interrupções e nas
manobras de manutenção, a qual pode afetar muitos clientes. Com
este sistema inteiramente reformulado seria possível diminuir as
perdas e agilizar a retomada do sistema em alguma pane.
No sistema proposto, os circuitos ficariam isolados por
quarteirão, proporcionando assim maior segurança e mais agilidade
nas ocorrências.
Os projetos de novos loteamentos poderiam já ter a aplicação
desse novo sistema, que tem em vista uma melhor organização dos
elementos que constituem a rede e encontra uma solução para uma
distribuição mais harmônica, de melhor arquitetura e promovendo
melhoria do meio ambiente.
A sustentabilidade deve ser o alicerce em todas as áreas, sendo
necessário investimento em linhas de transmissão, medidores
modernos, distribuição de energia e geração de eletricidade de fontes
mais sustentáveis, criando as chamadas “Cidades Inteligentes”. Esse
projeto visa fazer parte dessa realidade, usando a tecnologia para o
desenvolvimento sustentável e deixa como propostas futuras as
possibilidades de aperfeiçoamento, a que pode vir a ser assunto de
estudo nas áreas das Engenharias, Desenvolvimento Sustentável e
Arquitetura e Urbanismo.
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Referências
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de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico
Nacional – PRODIST, Cartilha de Acesso ao Sistema de Distribuição -
Revisão 3, 2011/2012.
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL. Tarifas
Vigentes da Concessionária de Distribuição. Disponível em:
http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=493. Acesso em:
15/11/2014
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de redes de distribuição trifásicas assimétricas e não
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de Manobra em Redes de Distribuição. Tese (doutorado) –
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30
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inviabiliza a implantação de redes elétricas subterrâneas.
Disponível
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