SCN Quadra 6 Conjunto A Bloco C Sala 303 / CEP 70718-900 BRASÍLIA-DF fone: (61) 429.5355; fax: (61) 429.5433; e-mail: nagib@eln.gov.br GRUPO III
GRUPO DE ESTUDO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO
-ESTUDO COMPARATIVO PARA IMPLANTAÇÃO DE CABOS ÓPTICOS EM LINHAS DE TRANSMISSÃO EM OPERAÇÃO
Arnaldo Cursino Guimarães Nagib Bechara Pardauil ELETRONET ELETRONORTE
RESUMO
Estudo comparativo entre as diversas alternativas para implantar sistema óptico em linhas de transmissão existentes, considerando a substituição do cabo pára-raios por cabos OPGW, instalação de cabos auto-sustentado, utilização de cabos ópticos espinado com fita ao cabo pára-raios e a instalação em uma linha nova. É apresentado um estudo de caso para o trecho em 500 kV entre as subestações de Tucuruí e Presidente Dutra.
PALAVRAS CHAVE: Cabos ópticos; Linhas de transmissão
1.0. INTRODUÇÃO
Pioneira na implantação de cabos ópticos OPGW no Brasil na UHE Tucuruí em 1984, a ELETRONORTE ampliou sua rede óptica nos últimos três anos, passando de 1,5 Km e tecnologia PDH a 8 Mbps, para uma rede em operação superior a 2.000 Km, com tecnologia SDH a 155 Mbps e previsão de chegar ao final de 2001 com 3.300 km de rede óptica própria. Esta rede óptica encontra-se dividida em redes ópticas de longa distância, como são os casos dos sistemas Tramo-Oeste, Norte/Sul, Brasil/Venezuela, Rondônia e Maranhão, e redes de média distância, com destaque para os sistemas de Manaus, Boa Vista, Porto Velho e Amapá.
A maior dificuldade encontrada é a implantação de sistemas ópticos ao longo das linhas de transmissão de
em operação, principalmente ao longo dos circuitos de 138 kV (Amapá e Mato Grosso), 230 kV (Mato Grosso e Pará) e 500 kV (Pará). As peculiaridades destas linhas de transmissão, constituídas por uma única linha, levou a ELETRONORTE a iniciar estudos quanto às diversas alternativas para implantação de sistemas ópticos, levando-se em conta algumas premissas, tais como: necessidade premente de comunicações operativas e administrativas, sem previsão de nova linha a curto prazo, sistema elétrico radial, remotíssima possibilidade de desligamento das linhas existentes.
Assim sendo, ao longo do trabalho, apresenta-se o resultado dos estudos quanto aos aspectos técnicos, logísticos e econômicos, referentes às diversas alternativas de tecnologia de cabos ópticos, tais como: substituição do cabo pára-raios por cabos OPGW, instalação de cabo OPGW como terceiro cabo pára-raios, instalação de cabos auto-sustentado, utilização de cabos ópticos espiralados no cabo pára-raios ou cabo fase e utilização de cabos ópticos espiralados com fita ao cabo pará-raios, concluindo com a apresentação de um estudo de caso para a linha de transmissão interligando a SE Tucuruí à SE Presidente Dutra, em um total de 788 Km, em 500 kV.
2.0. DEMANDA A SER ATENDIDA
Para atendimento à demanda da Empresa, levou-se em consideração:
• Suporte à rede de dados corporativos (interligação entre as LANs e WAN);
• Suporte à rede de dados operativos (teleproteção; automação e digitalização das SE’s; supervisão dos sistemas elétrico e de telecomunicações; telemetria; supervisão das áreas interna e externa das subestações desassistidas, através de circuito de TV)
3.0. AVALIAÇÃO DO MERCADO DA ELETRONORTE
A projeção da evolução dos serviços de telefonia fixa, telefonia móvel e telefones públicos, na área de atuação da ELETRONORTE, conforme projetado no PASTE- Programa de Recuperação do Setor , mostra o enorme potencial destes serviços. Associado a esta evolução está o serviço de redes privadas de transmissão de dados, principalmente se considerarmos que a telefonia de longa distância nessa região é basicamente atendida por satélite.
A expansão dos serviços nesta área é cara e tem manutenção dispendiosa em virtude da falta de estradas e energia elétrica para alimentação das estações repetidoras dos rádio enlaces, em virtude das enormes distâncias a serem vencidas para atendimento de uma demanda, na maioria das vezes, rarefeita. A facilidade de colocação de meios de comunicações confiáveis e sensivelmente mais baratos do que os tradicionais rádios, utilizando a infra-estrutura do setor elétrico, tem levado à criação de empresas de propósito específico, como é o caso da ELETRONET, aliado à desregulamentação do setor de telecomunicações, ampliou a gama de empresas interessadas em compartilhar esta infra-estrutura.
A tabela de “Desigualdades Regionais” mostra a característica peculiar da região norte onde a baixa renda familiar está relacionada com uma região que ocupa 45% do território nacional, com apenas 7% da população, contribuindo com apenas 5% do PIB.
O caráter pioneiro da ELETRONORTE, atendendo a essa região, levando energia firme e de qualidade aliada a telecomunicações com tecnologia de ponta, fará com que um surto de progresso tome conta da região e com certeza o quadro do próximo Censo Demográfico não apresentará tamanhas desigualdades. No documento de Política e Diretrizes , a ELETROBRÁS estima uma receita com transmissão de dados de aproximadamente R$ 117,2 milhões ano, em parceria com uma operadora pública de longa distância, participando em 20% do mercado, uma das premissas para a criação da ELETRONET. Considerando que a ELETRONORTE dispõe de 10% (4.384Km) do total (41.916Km) de linhas de transmissão, é lógico supor uma receita proporcional. Outro tipo de receita provém do aluguel de circuitos dedicados para redes corporativas das empresas. 4. ESTUDOS PARA ATENDIMENTO ÀS LINHAS DE TRANSMISSÃO EM OPERAÇÃO
Em geral para a instalação de um cabo de fibra ópticas em linhas de transmissão já existentes, devem ser verificados, dentre outros, os seguintes tópicos: • se as torres suportam os esforços decorrentes do
lançamento e instalação do cabo e os esforços mecânicos devido a ventos fortes;
• se as flechas do cabo óptico e/ou do cabo mensageiro respeitam as distâncias elétricas; • a resistência mecânica e peso que permitam
compatibilizar as flechas do cabo com os cabos condutores, mantendo-se os limites de tensão máxima previsto para as torres;
• seção que permita escoar as correntes de curto-circuito que circulam pelos cabos pára-raios quando da ocorrência de curto ou de surtos atmosféricos incidentes;
• isolamento térmico da fibra capaz de suportar as elevações de temperatura de surtos.
Das alternativas estudadas, destacam-se:
• Instalação de cabo OPGW quando de linha nova; • Substituição do cabo pára-raios por cabo OPGW,
ou instalação de outro cabo pára-raios (OPGW); • Instalação de cabo óptico auto-sustentado ; • Instalação de cabo óptico espinado;
Para a boa compreensão das alternativas estudadas, as principais características dos diversos tipos de cabos ópticos, suas vantagens e desvantagens, são apresentadas nos itens a seguir.
4.1. Características dos cabos ópticos
As principais características dos cabos ópticos, estão a seguir apresentadas.
Área População PIB
4.1.2. Cabo OPGW
Os principais aspectos técnicos a serem levados em consideração, para o dimensionamento e cálculo, além daqueles relacionados ao cabo pára-raios convencional, são:
• lance máximo do cabo; • peso;
• área exposta ao vento;
• possibilidade de lançamento sem desligamento da linha (para o caso de troca ou de terceiro cabo); • necessidade de reforço das torres , principalmente
para o caso de troca ou de terceiro cabo;
• deve suportar temperaturas de corrente de curto elevadas;
• tempo de execução dos serviços de lançamento. As principais características mecânicas são:
- diâmetro externo (mm) ...………...……... 14,50 - peso do cabo (kg/m) ...……….. 627,00 - coeficiente de expansão térmica (10-6/C) .… 14,50 - carga de ruptura (kgf) ...……… 9.100,00 - capacidade térmica (kA2.s) ...………..… 73,00 - raio mínimo de curvatura (mm) .………...1.000,00 4.1.2. Cabo auto-sustentado
Os aspectos técnicos principais que devem ser considerados no dimensionamento e cálculo desse tipo de cabo estão mais relacionados com seus aspectos mecânicos do que com o núcleo óptico propriamente dito. Deve ser considerado:
• lance máximo do cabo; • peso;
• área exposta ao vento;
• possibilidade de lançamento sem desligamento da linha;
• o cabo deve ser anti-chamas;
• o local de instalação do cabo nas torres deve ser o de campo elétrico mínimo para se evitar o efeito tracking;
• o cabo deve possuir proteção adicional para eliminar o efeito tracking;
• necessidade de reforço das torres; • deve suportar temperaturas de até 70ºC.
• tempo de execução dos serviços de lançamento. As principais características mecânicas do cabo auto-sustentado são:
- diâmetro externo (mm) ...…………. 11,80 - módulo elasticidade (kN/mm2)………… 120,00 - coeficiente de expansão térmica (10-6/K).... -2,00 - carga de ruptura cabo (kN) ...…………. 36,00 - máxima tensão carga (N) .………….. 10.000,00 - raio mínimo curvatura (mm) .…………. 180,00 - peso do cabo (k g/km) ...……… 109,00
4.1.3. Cabo espinado
Nesse tipo de cabo existe duas variações: o cabo óptico espinado no cabo pára-raios e o cabo óptico colocado paralelamente ao cabo pára-raios, espinado por uma fita de aramida ou elementos pré-formados (ADL), objeto do estudo, devendo-se levar em consideração: • esforço adicional sobre o cabo pára-raios;
• esforço adicional às estruturas pela ação do vento; • possibilidade de manutenção no cabo sem
danificar o cabo óptico;
• tempo de vida útil do elemento de conexão (fita, por exemplo);
• possibilidade de lançamento em linha viva; • necessidade de reforço das torres;
• temperatura de curto-circuito a que está submetido o cabo pára-raios;
• o cabo deve possuir proteção adicional para eliminar o efeito tracking;
• deve suportar temperaturas de até 70ºC. • tempo de execução dos serviços
• coeficiente de dilatação do cabo pára-raios
As principais características mecânicas do cabo espinado com fita são:
- diâmetro externo (mm) ...…………... 5,90 - módulo elasticidade (kN/mm2)…………. 120,00 - temperatura curto térmico (C).……… 200,00 - máxima tensão carga (N) ...………. 100,00 - raio mínimo curvatura (mm)..……… 130,00 - peso cabo (Kg/Km) ...………. 28,00 4.2. Vantagens e desvantagens dos cabos ópticos Dependendo do tipo de aplicação, os diversos tipos de
cabos ópticos apresentam diversas vantagens e desvantagens, a seguir relacionadas.
4.2.1. Cabo OPGW
Dentre as vantagens e desvantagens da utilização deste cabo, destacam-se:
• instalação em sistema novo é relativamente simples;
• instalação em sistema existente é bastante complexa, especialmente se efetuada em linha energizada;
• a manutenabilidade do cabo é mais complexa; • o custo do cabo instalado é relativamente elevado; • a transferência de esforços para as fibras é
relativamente baixa; • vida útil elevada;
4.2.2. Cabo Auto-sustentato
Dentre as vantagens e desvantagens da utilização deste cabo, destacam-se:
• sujeito ao efeito tracking;
• sujeito a queimadas ao longo da linha; • mais vulnerável a vandalismo; • provoca carga adicional às estruturas;
• instalação em sistema novo é relativamente simples;
• instalação em sistema existente, dependendo do local escolhido na estrutura, pode ser complexa; • a manutenabilidade do cabo é mais simples; • o custo do cabo instalado é mais baixo, quando
comparado ao OPGW;
• transferência de esforços para as fibras é relativamente baixa;
• tempo de execução dos serviços é menor em relação ao cabo OPGW.
4. 2.3. Cabo Espinado
Dentre as vantagens e desvantagens da utilização deste cabo, destacam-se:
• sujeito ao efeito tracking;
• sujeito a temperatura de curto-térmico do cabo pára-raios;
• dependente do coeficiente de dilatação térmica do cabo pára-raios;
• provoca carga adicional às estruturas; • aumento da área exposta ao vento;
• instalação em sistema novo é relativamente simples;
• instalação em sistema existente tende a ser mais complexa;
• sujeito a vandalismo, principalmente em áreas urbanas;
• a manutenabilidade do cabo é mais complexa; • o custo do cabo instalado é relativamente baixo,
quando comparado ao ADSS;
• a transferência de esforços para as fibras é relativamente baixa;
• maior número de emendas em função do tamanho médio das bobinas;
• tempo de execução dos serviços é menor em relação ao cabo auto-sustentado.
5.0. ANÁLISE TÉCNICA DAS ALTERNATIVAS 5.1. Instalação de cabo OPGW em linha nova Dentro do planejamento estratégico da ELETRONORTE, consta que em toda nova linha de transmissão, seja estudada a viabilidade de instalação da cabo OPGW. Este fato pode ser comprovado visto que o número de novas linhas de transmissão, não
contempladas com cabo OPGW é inferior a 5 % do total de linhas instaladas no período de 1997/2000. A opção pela utilização de cabo OPGW em linha nova, apresenta como grande vantagem a diluição do custo do cabo óptico, no próprio custo da linha, além da relativa simplicidade de instalação em linha nova. 5.2. Instalação de cabo auto-sustentado
A grande vantagem da instalação deste tipo de cabo, reside no fato da mesma poder ser efetuada em linha energizada. Além do mencionado anteriormente, a instalação do cabo auto-sustentado, deve levar em consideração um compromisso com a proteção do mesmo, quer seja devido à proximidade dos cabos fase, com o indesejado efeito tracking, quer seja devido à ação de outros fatores de risco como queimadas e vandalismo.
5.3. Instalação de cabo espinado
A instalação deste tipo de cabo, apresenta como maior vantagem o tempo de execução dos trabalhos, principalmente se a linha estiver desenergizada. Já a instalação com linha energizada requer cuidados adicionais com a segurança da equipe envolvida e com o risco de desligamento acidental da linha.
A exemplo do cabo auto-sustentado, o cabo espinado também sofre o efeito tracking e, o que é mais problemático, a ação de correntes de curto elevada com possibilidade de danificar o cabo ou o elemento de suporte.
5.4. Troca do cabo pára-raios
Na substituição do cabo pára-raios existente por cabo OPGW, ou o lançamento do terceiro cabo pára-raios (OPGW), devem ser adotadas algumas considerações, tais como:
• possibilidade de efetuar a substituição em linha energizada;
• desbalanceamento das estruturas quando da realização dos trabalhos;
• mesmo com linha desenergizada, as precauções quanto à segurança da equipe de montagem é semelhante à linha energizada;
• custos envolvidos, quando da substituição em linha energizada é bastante significativo;
• tempo de instalação relativamente alto;
• as características mecânicas do cabo, especialmente diâmetro e peso, devem ser tais que não comprometam as estruturas existentes. 6. ESTUDO DE CASO
econômico-financeira, para a instalação dos diversos tipos de cabos ópticos, na linha de transmissão em 500 kV, interligando as subestações de Tucuruí e Presidente Dutra, linha esta considerada nevrálgica para a interligação dos sistemas de transmissão Norte/Sul e Norte/Nordeste.
As principais características da linha de transmissão em estudo, constituída de dois circuitos em 500 kV, com 788 km de extensão e 1.848 torres cada, são apresentadas nas tabelas a seguir.
Tabela 1 - Distâncias entre os trechos
Trecho Comprimento (km) Número de torres Tucuruí/Marabá 222 514 Marabá/Imperatriz 182 428 Imperatriz/Grajaú 196 460 Grajaú/Pesidente Dutra 188 446 Tabela 2 - Vãos das linhas (em metros)
Trecho Vão médio Maior vão Menor vão Tucuruí/Marabá 424,48 1335,0 152,18 Marabá/Imperatriz 424,29 613,63 150,47 Imperatriz/Grajaú 425,66 693,95 205,34 Grajaú/Pesidente Dutra 424,60 632,94 248,58
Tabela 3 - Tipos de torres
Tipo de torre Quantidade
SS - suspensão em alinhamento 1.553
SC - suspensão em ângulo até 3 graus 210
S15C - suspensão em ângulo até 15 graus 27
A30C - ancoragem c/ ângulo até 30 graus 31
TR – transposição 17
A55FL - ancoragem em fim de linha 10
6.1. Estudo de viabilidade econômico-financeira São apresentados a seguir, o estudo de viabilidade econômico-financeira, utilizando o método do valor presente líquido, para as diversas alternativas.
O modelo de análise Econômico-Financeira adotado baseia-se, inicialmente, na montagem dos fluxos monetários anuais dos custo e benefícios empresariais provocados pela execução das obras de implantação do cabo OPGW e considerando-se as economias e receitas decorrentes para as várias alternativas apresentadas. A análise da melhor alternativa é medida utilizando-se o método do Valor Presente Líquido (VPL). O método do VPL consiste na transferência para o instante presente, de todos os valores de caixa esperados, descontados ao custo de capital. A sua expressão algébrica é apresentada a seguir:
VPL =
( )
Fj
j j Ni
1
1+
∑
=onde: VPL = Valor Presente Líquido;
Fj = série de recebimentos e desembolsos a uma data “j”;
i = taxa de juros;
N = horizonte de planejamento.
Os critérios de escolha da melhor alternativa se baseia na alternativa que apresentar o maior VPL.
Hipóteses de Trabalho: • Juros de 10% ao ano;
• pagamentos/recebimentos postecipados, ou seja, ao final do período;
• período de planejamento = 10 anos
• desconsiderados os custos comuns com os equipamentos SDH/PDH, alimentação, etc • desconsiderados os custos com reforço de
estrutura
• considerada a região como de baixa concentração de demanda telefônica
• receita de aluguel de 1 feixe de 2Mbits = R$ 294.000,00/ano
• custo do cabo OPGW 24FO = R$ 22.000,00/Km • custo do cabo auto-sustentado = R$ 15.000,00/Km • custo do cabo espinado com fita = R$
9.000,00/Km
• custo da troca do cabo pára-raios = R$ 30.000,00/Km
• aluguel de 1 feixe de 2Mbits no ano 4, 2 feixes no ano 5, 3 feixes no ano 6, 4 no ano 7, 5 no ano 8, 6 no ano 9 e 7 feixes no ano 10.
• cessão de 1 par de fibra a preço de custo = R$ 685.000,00
• cessão de 1 par de fibra no ano 3, ano 6 e ano 9. • aluguel da infra-estrutura (não mensurado) 6.1.1. Alternativa 1- Cabo OPGW no terceiro
circuito
VPl1 = 294 X P/F8 + 588 X P/F9 + 882 X P/F10 + 1445 X P/F7 + 1445 P/F10 -17.336 X PF4 VPL1 = - R$ 9.815,49 mil
6.1.2. Alternativa 2- Cabo auto-sustentado
6.1.3. Alternativa 3 - Cabo espinado com fita VPl3 = 294 X P/F4 + 588 X P/F5 + 882 X P/F6 + 1176 X P/F7 + 1470 X P/F8 + 1764 X P/F9 + 2058 X P/F10 + 591 X P/F3 + 591 X P/F6 + 591 X P/F9 – 7092 VPL3 = - R$ 2.169,20 mil
6.1.4. Alternativa 4- Troca do cabo pára-raios (energizado)
VPl4 = 294 X P/F4 + 588 X P/F5 + 882 X P/F6 + 1176 X P/F7 + 1470 X P/F8 + 1764 X P/F9 + 2058 X P/F10 + 1970 X P/F3 + 1970 X P/F6 + 1970 X P/F9 – 23640 VPL4 = - R$ 16.317,91 mil
6.1.5. Alternativa 5- Troca do cabo pára-raios (desligado)
Apesar do custo de instalação ser menor, para esse caso, em que existe uma outra linha de 500KV em paralelo, os mesmos cuidados deverão ser tomados tal qual a linha estivesse energizada, devido a indução existente. Além do mais, agregar o custo do desligamento, ao final os dois custo seriam equivalentes , ou superiores, à alternativa 4.
7.0. CONCLUSÕES
Das alternativas apresentada ao longo do trabalho, a instalação de nova linha, bem como a substituição do cabo pára-raios, são as menos viáveis economicamente, enquanto a instalação de cabo espinado, seguido pelo cabo auto-sustentados são, nesta ordem, as que apresentam melhores resultados econômicos.
Tecnicamente, a substituição do cabo pára-raios é desvantajosa quando comparada aos cabos auto-sustentado e espinado, principalmente quando se observa o tempo de instalação, riscos à pessoas e à possível necessidade de desligamento do sistema elétrico.
Vale ressaltar a experiência da ELETRONORTE com a instalação do terceiro cabo pára-raios (OPGW), em linha energizada, realizado no segundo circuito da linha Imperatriz/Presidente Dutra, técnica a ser estendida para outros trechos do sistema, mas que depende das condições de suportabilidade elétrica do sistema (deverá ser mais fácil quando houverem dois circuitos independentes) e mecânica das estruturas. As condições mecânicas das estruturas também devem ser levadas em consideração, quando da instalação dos cabos auto-sustentado e espinado, que levam vantagem por serem mais leves, especialmente este
último, que também podem ser instalados em linhas energizada.
Como resultado do trabalho, chega-se à conclusão que a instalação de cabo espinado é bastante atraente. A experiência da ELETRONORTE com este tipo de cabo, em operação desde 1999, em linhas de 69 kV nas cidades de Porto Velho e Manaus, demonstram a relativa vulnerabilidade deste tipo de cabo quando utilizado em trechos urbanos, devido à ação da linha de pipa com cerol. Entretanto, considerando que a maior parte das linhas da Empresa, não encontram-se em áreas urbanas, e ainda que técnicas estão em desenvolvimento para solucionar este problema, a utilização deste tipo de cabo em linhas de transmissão, não deve ser descartada.
Finalizando, ainda ao longo do ano de 2001, a ELETRONET pretende lançar cabo auto-sustentado ao longo da linha de 500 kV da ELETRONORTE, entre Tucuruí e Vila do Conde que, por ser circuito único, a instalação do terceiro cabo pára-raios pode não ser factível.
8.0. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) MONTENEGRO, João L. de Albuquerque. Enga. Econômica. Petrópolis Ed. Vozes, 1983;
(2) CIPEM/COESE/CICOF, Relatório “Política e Diretrizes para o Negócio de Telecomunicações nas Empresas do Grupo Eletrobrás”, 1998; (3) GUIMARÃES, Arnaldo C. Estudo de Viabilidade
para Implantação de Sistema de Telecomunicações SEs Santana, Central, Tartarugalzinho, Amapá e Calçoene, ELETRONORTE, Brasília, 1997; (4) GUIMARÃES, Arnaldo C. Viabilidade de
Implantação de Sistemas Ópticos em Linhas de Transmissão de Energia Elétrica, UnB, Brasília, 1998;
(5) PARDAUIL, Nagib B. Projeto do Sistema Óptico de Porto Velho, ELETRONORTE, Brasília, 1998; (6) PIRELLI. Descritivo técnico cabos;
(7) SIEMENS. Descritivo técnico cabos; (8) LUCENT. Descritivo técnico cabos;
(9) BORTOLETTO, Álvaro. Aplicação de Cabos Ópticos Auto-Sustentado para grandes Vãos. Lucent Technologies. Paraná, 1998.
9.0. DADOS BIOGRÁFICOS
ArnaldoGuimarães, formado em Engenharia Elétrica-Telecomunicações em 1974, pela UnB, é gerente do escritório regional da ELETRONET em Brasília, desde 1999.
