Redes Elétricas-PARTE1-15-2-2011, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Sumário

TERMINOLOGIA

Rede Básica: conjunto de linhas, subestações e demais equipamentos associados de tensão igual ou superior a 230 kV, conforme definido na Resolução ANEEL nº 166, de 31 de maio de 2000.

Sistema de Transmissão: conjunto de linhas, subestações e demais equipamentos associados de tensão igual ou superior a 69 kV.

Sistema de Sub-transmissão: conjunto de linhas, subestações e demais equipamentos associados de tensão igual a 34,5 kV, com função de transmissão de energia elétrica entre subestações.

Sistema de Distribuição: conjunto de linhas e demais equipamentos associados de tensão inferior a 69 kV, com função de distribuição direta em média tensão (34,5 kV e/ou 13,8 kV) ou através de Transformadores de Distribuição.

Rede Elétrica: conjunto integrado pelos Sistemas de Transmissão, Sub-transmissão e Distribuição.

Acessante de Geração: pessoa jurídica ou empresas reunidas em consórcio que recebam concessão ou autorização do poder concedente, para produzir energia elétrica destinada ao comércio de toda ou parte da energia produzida, por sua conta e risco e que pretende operar estas instalações em paralelo com o outro Sistema Elétrico como a do Copel, por exemplo.

Ponto de Conexão: barramento ou linha da Rede Elétrica onde se conecta o Acessante de Geração. A definição do Ponto de Conexão em tensão inferior a 230 kV é atribuição da Concessionária. Poderá haver casos onde o Acessante de Geração poderá ou deverá se conectar em mais de um ponto da Rede Elétrica.

Acordo Operativo: Documento em que estão estabelecidos os procedimentos operacionais que deverão ser seguidos pelo Acessante de Geração e pela concessionária cujo Sistema de Transmissão, Sub-transmissão ou Distribuição estejam envolvidos na Transação de Acesso.

Transação de Acesso: operação caracterizada pela utilização da Rede Elétrica pelo Acessante de Geração, regida por Contratos de Conexão e Uso da Rede Elétrica.

Transformador Interligador: Transformador que interliga dois subsistemas de transmissão de tensões diferentes.

Transformador de Carga: Transformador que alimenta cargas diretamente, ou em baixa tensão (127/220 V) através de uma rede de distribuição de média tensão (13,8 kV e/ou 34,5 kV) onde estão ligados os Transformadores de Distribuição (média tensão/baixa tensão).

Transformador de Distribuição : Transformador que alimenta cargas de baixa tensão (220/127 V ou 380/220 V) através de uma rede de distribuição de média tensão (34,5 kV ou 13,8 kV).

ESTRUTURA DE UMA REDE DE DISTRIBUIÇÃO

Veja aqui o trajeto da energia elétrica desde a usina onde ela é gerada até chegar na sua casa.

Geração (Produção)

A energia elétrica é gerada nas Usinas Hidrelétricas, Termelétricas, Termo-nucleares, Eólicas, Fotovoltaicas e Maré-motriz.

No Brasil ainda temos como fonte geradora de energia elétrica as Hidrelétricas devido a nossa grande bacia hidrográfica, embora, as Termelétricas e Termo-nuclear estão sendo ampliadas e ocupando um patamar considerável.

A base de uma Usina Elétrica é a turbina, a máquina que é movimentada por alguma força externa. Essa força externa pode ser água em movimento ou vapor sob pressão.

Esquema de uma Usina Hidrelétrica (UHE)

Classificação das UHE

1 – Quanto a sua capacidade de gerar energia:

a) UHE de grande potência (GCH) Por apresentar vazões regularizadas e ter capacidade de armazenar grande volume d’água, operam interligadas ao sistema elétrico e permite operação contínua.

b) UHE de pequena potência (PCH) São utilizadas para alimentarem pequenos centros de carga que não fazem parte do sistema.

c) UHE reversíveis (UHR) São usinas que operam alternadamente ora como geradora, ora como estação de bombeamento, estando interligada ao sistema elétrico. Desta forma, a UHR acumula energia nas horas de demanda mínima e gera energia nas horas de demanda máxima, havendo a necessidade de dois reservatórios, um superior e outro inferior.

2 – Quanto às condições de armazenamento:

a) Usina Fio-d’água

É aquela em que o volume represado não é suficiente para manter uma vazão mensal ou anual regular, e apresenta as principais características:

• São viáveis em rios de vazão mínima permanente.
• A capacidade de armazenamento é pequena.
• Interligada no sistema elétrico, acumulam água durante o período fora da ponta , para utilizar na hora da ponta no mesmo dia.
• Quando interligada ao sistema é utilizada para fornecer energia correspondente à ponta do diagrama de carga.

b) Usina de acumulação

São as que possuem reservatórios de grande capacidade, permitindo operação com regularidade durante todo o ano, e apresentam as principais características:

• Operam atendendo a base da curva de carga.
• Operam atendendo a flutuação, isto é, quando o fluxo do rio é elevado elas operam na base da curva de carga, podendo modificar gradualmente a sua posição na curva de carga, até que nos períodos secos funcionem atendendo a ponta de carga do sistema.

As Usinas Hidroelétricas são construídas em locais que tem rio caudaloso ou grandes quedas e esses locais nem sempre ficam perto das cidades. Então a eletricidade gerada precisa ser transmitidas (ou transportadas) pelas linhas de transmissão até as cidades.

Outros tipos de turbinas

Turbinas a vapor Uma turbina a vapor é uma máquina motriz que utiliza a elevada energia cinética da massa de vapor expandido, fazendo com que forças consideráveis, devidas à variação de velocidade, atuem sobre as pás ao rotor.

As forças, aplicadas às pás, determinam um momento motor resultante, que faz girar o rotor. São usadas para o acionamento de geradores elétricos, compressores, turbobombas sopradores, etc..

A classificação das turbinas a vapor é normalmente feita segundo:

• o modo de atuação do vapor;
• o número de estágios;
• o número de pás sobre as quais incide o vapor;
• as condições do vapor à descarga da turbina

Podemos citar como exemplo as seguintes turbinas a vapor:

Turbinas de ação e reação → Segundo o modo de atuação do vapor no rotor as turbinas a vapor podem ser de ação e de reação. Nas turbinas de ação o vapor se expande unicamente no sistema diretor da máquina (bocais ou canais diretrizes expansores) e não nos canais móveis do rotor, de modo que a pressão sobre as faces das palhetas não varia sensivelmente. O modelo clássico desse tipo de turbina é a Laval.

Quando o vapor se expande também nos canais móveis do rotor, de modo que a pressão à entrada do mesmo é maior que na saída, a turbina é dita por ser de reação. O modelo clássico desse tipo de turbina é a Parson.

Algumas turbinas de reação de vários estágios possuem um estágio de ação, no qual acontece uma queda elevada de pressão. Isso determina uma turbina menor e de menor custo.

Turbinas de monoestágio e de vários estágios → As turbinas a vapor de monoestágio apresentam um único rotor que em geral é um estágio de ação.

As turbinas de vários estágios montados num mesmo eixo podem apresentar estágios de ação ou de reação. Os vários estágios móveis são intercalados por pás fixas diretrizes, dispostas formando um certo ângulo igual àquele de entrada das pás móveis que as seguem a fim evitar que entrada do vapor se processe com choque.

Turbinas de admissão total e parcial → Estas turbinas são assim classificadas conforme o número de pás sobre as quais incide o vapor. As turbinas são de admissão total quando o vapor é admitido por toda a periferia do rotor, ou seja, o vapor incide simultaneamente sobre todas as pás do rotor. As turbinas são de admissão parcial quando o vapor incide somente em uma parte do rotor.

As turbinas a vapor se classificam ainda quanto às condições do vapor no escape, ou seja

• Turbina de escape livre , se o vapor sai diretamente na atmosfera;
• Turbina de condensação , se o vapor é conduzido a um condensador;
• Turbina de contrapressão , quando o vapor de descarga é conduzido a um processo em particular. Neste caso a pressão do vapor na descarga é ligeiramente superior à atmosférica;
• Turbinas combinadas , quando uma parte do vapor é extraída em estágios intermediários da máquina e conduzido a outros equipamentos (trocadores de calor, por exemplo); o vapor restante continua sua expansão pelos estágios de menor pressão da turbina.

Quando a turbina é projetada para operar em ciclo simples, para aumentar eficiência energética procura-se otimizar a taxa de compressão.

Se a turbina é projetada para operar em ciclo combinado, procura-se aumentar a eficiência energética do ciclo como um todo através do aumento da temperatura de fogo, uma vez que os gases de saída da turbina ainda são utilizados para gerar potência.

Quando é necessário variar a rotação do eixo de saída, como nos casos em que a turbina é utilizada para propulsar um veículo ou um compressor, a turbina de potência é dividida em duas, sendo a primeira somente para acionar o compressor a velocidade sempre constante e a segunda (com eixo independente) para produção de potência mecânica, com velocidade variável.

Para que seja possível variar a velocidade da turbina de potência é preciso que os bocais que direcionam os gases quentes sobre as palhetas sejam móveis, variando o ângulo de incidência dos gases.

Uma desvantagem é que uma queda súbita na demanda de carga elétrica (também denominada rejeição de carga) pode elevar descontroladamente a velocidade da segunda turbina (um sistema de controle deve ser previsto).

Uma turbina a gás é um único equipamento que inclui três funções: compressor, câmara de combustão e turbina de potência.Em termos de geração de potência, as turbinas simples não têm uma eficiência muito alta. Boa parte do trabalho mecânico é gasto no acionamento do compressor e os gases rejeitados, com temperatura ainda alta significam uma importante perda energética.

Como os gases de escape possuem grande disponibilidade energética, muitas vezes estes são direcionados para uma caldeira a vapor para produzir energia. Isto é denominado um ciclo combinado, que pode atingir eficiência energética de 60% no caso das turbinas mais modernas.

Turbinas eólicas As turbinas eólicas, também conhecidas por aerogeradores, têm como função transformar a energia cinética do vento em energia mecânica e consequentemente em energia elétrica.

Uma turbina eólica compõe-se dos seguintes elementos:

• Uma torre, que permite elevar a turbina eólica até ventos mais regulares na camada limite atmosférica.
• Uma nave ou nacelle que contém o sistema mecânico.
• Um veio que permite a rotação das pás e transmite a energia mecânica ao gerador elétrico
• As pás, que permitem “absorver” a energia cinética do vento.

O vento é definido essencialmente por dois parâmetros: velocidade e direção. A sua intensidade não é regular e a sua disponibilidade depende do local. Como tal, antes de cada instalação, medições dos parâmetros do vento têm que ser efetuadas, assim como um estudo do relevo do local. Quanto menores forem as alterações do relevo, menores serão as barreiras físicas e assim melhor será a regularidade do vento. Esta é a razão pela qual, hoje em dia se estão a desenvolver parques eólicos em “off - shore”.

Nem todas as turbinas eólicas são iguais, todavia existe atualmente certa convergência para as turbinas eólicas com um eixo horizontal e três pás. Os dois grandes tipos de turbinas eólicas são as de eixo vertical e as de eixo horizontal.

A dimensão das turbinas eólicas depende sobretudo da potência desejada. Assim, quanto mais elevada for a potência desejada da turbina eólica, maior esta deverá ser. Atualmente, a potência máxima ronda os 2 MW, mas espera-se chegar até 6MW com as turbinas eólicas em “off-shore” (no mar).

A maioria das turbinas eólicas tem 3 pás. No entanto, ao contrário do que pode parecer intuitivamente, o mais importante não é o número de pás, mas sim a superfície varrida por estas. Assim, uma turbina eólica com apenas 2 pás pode ter a mesma eficiência que uma turbina eólica de 3 pás. Existem também turbinas eólicas com uma só pá. Este modelo está a ser construído por uma empresa italiana (Riva Galzoni), encontrando-se esta tecnologia ainda em fase de desenvolvimento.

Co-geração Muitas empresas hoje em dia estão utilizando o sistema de co-geração, isto é, através de um único tipo de combustível gera-se simultaneamente energia elétrica, mecânica e térmica.

As linhas de transmissão, também, podem ser classificadas em:

• Transmissão propriamente dita, atendendo a grandes consumidores;
• Sub-transmissão, também atendendo a grandes consumidores;
• Distribuição Primária atendendo a médios consumidores; e
• Distribuição Secundária atendendo a pequenos consumidores (residencial e comercial).

Linhas de Transmissão com Corrente Contínua (HVDC)

Nos últimos tempos, algumas novidades têm surgido relacionadas com a transmissão de energia elétrica a longas distâncias. Os engenheiros e técnicos tem constatado que, para transmissão a distâncias superiores a cerca de 500 km, a corrente contínua mostra-se mais vantajosa do que a corrente alternada. Isto ocorre principalmente pelos motivos que analisaremos a seguir.

Sabe-se que o método mais adequado para transmitir corrente alternada é o sistema denominado trifásico, que utiliza três cabos ligando os dois pontos de transmissão (observe o sistema de alta voltagem nos postes de rua, que é exatamente deste tipo, utilizando três fios). Por outro lado, um sistema de transmissão com corrente contínua seria apenas 2/3 daquele que se tem em uma linha de corrente alternada. Além disso, pode-se mostrar que, para se obter a mesma perda por efeito Joule, os cabos em corrente alternada teriam que ser mais grossos do que em corrente contínua.

Verifica-se que, apesar destas vantagens, a corrente contínua apresenta alguns inconvenientes, pois sua voltagem não pode ser transformada facilmente, como já sabemos.

Assim, para transmissão em corrente contínua, os geradores devem ainda ser de voltagem alternada, e só depois que esta voltagem é aumentada por meio dos transformadores é que ela é retificada para ser transmitida. Ao chegar ao local de consumo, a corrente contínua deve ser transformada novamente em corrente alternada para que sua voltagem possa ser reduzida antes de ser distribuída. É claro que todas estas transmissões, em longas distâncias, as economias feitas com os cabos poderão compensar estes custos. Em países de grandes dimensões, como a União Soviética, os Estados Unidos e o Brasil, essas condições são fáceis de ocorrer e, por isso mesmo, o sistema de transmissão com corrente contínua já se encontra em implantação nestes países.

No diagrama acima observamos a existência de uma estação retificadora, que transforma a CA em CC, e de outra estação conversora que transforma a CC em CA novamente.

Desenho de uma estação conversora

Vista Parcial de uma subestação conversora HVDC

Sala das válvulas retificadoras

Distribuição

O sistema de distribuição é composto pelas Subestações de Distribuição e pela Distribuição propriamente dita.

A Subestação de Distribuição tem como função abaixar a elevada tensão de transmissão e de formar os diversos circuitos de distribuição. Um circuito para o bairro A, outro para o bairro B etc. Os equipamentos principais da subestação são eles: o disjuntor e o transformador.

O Disjuntor parece uma enorme chave de liga e desliga. São operadas a gás. No seu movimento de liga ou de desliga, a chave ocasiona o surgimento de uma faísca grande e forte. Esta faísca é tão forte que pode derreter o próprio disjuntor. Então, durante a manobra, é injetado um gás especial que vai apagar a faísca. É como a gente assoprando uma vela para apagar a sua chama.

O Transformador vai transformar a tensão de transmissão, geralmente elevada, para uma tensão de distribuição em torno de 10.000 a 15.000 Volts..

A rede de Distribuição é feita nas ruas do bairro. Existem, basicamente, 2 tipos de circuitos nos postes da rua: A Rede Primária e a Rede Secundária.

A Rede Primária é de tensão um pouco elevada (em torno de 10.000 a 15.000 Volts) e a sua trajetória é pelo ponto mais alto dos postes.

A Rede Secundária é na tensão de fornecimento, em 127 Volts e 220 volts. Há variações podendo-se encontrar tensão de 440 Volts ou mais dependendo das necessidades.

Nos grandes consumidores como fábricas, o fornecimento pode ser feito diretamente pela rede primária. Nestes casos, a fábrica precisar ter uma Cabine Primária para fazer, eles mesmos, o abaixamento para as tensões de consumo.

Quem faz o abaixamento da tensão é o transformador instalado no poste da rua.

Em regiões de grande concentração de consumo. As normas de saúde e segurança obrigam que as redes sejam subterrâneas. É a passagem de uma corrente elétrica elevada pode provocar doenças nas pessoas.

Assim, na região central das grandes cidades a rede de distribuição é subterrânea e não se vêem postes com fios, cabos e transformadores nas ruas e avenidas.

COMPONENTES DE UMA REDE DE DISTRIBUIÇÃO

1 – Primária

a) Cabos condutores: Serão utilizados condutores de alumínio, cobre e alumínio coberto, com as seguintes bitolas:

Condutores de Alumínio → Recomendado para qualquer situação.

 02 AWG

 04 AWG

 2/0 AWG

 4/0 AWG

 336,4 MCM

Condutores de Cobre → Recomendado para área litorânea ou locais sujeitos à corrosão.

 16 mm 2

 35 mm 2

 70 mm 2

 120 mm 2

Condutores de Alumínio Cobertos com XLPE → Recomendado para áreas rurais ou em condomínios

fechados, para proporcionar maior segurança.

 35 mm 2

• 15 kV

 185 mm 2

• 15 kV

 185 mm 2

• 35 kV

Obs.: Os cabos tanto da rede de distribuição primária ou secundária poderão ser do tipo Multiplexado.

b) Proteção Contra Sobrecorrente: A aplicação de equipamentos de proteção e a sua coordenação visam

oferecer ao sistema de distribuição, segurança, confiabilidade, melhor qualidade no fornecimento, economia

para a empresa e minimização do número de interrupções nas instalações de consumidores quando em

condições anormais do sistema. Dentre eles, podemos citar:

• Religadores;
• Chaves Fusíveis; e
• Chave Fusível Religadora

c) Proteção Contra Sobretensão : Para proteger os cabos, transformadores etc., contra descargas atmosféricas sobre a Linha.

Esta proteção é feita com a utilização de Pára-raios (15 kV para RD 13,8 kV e 27 kV para RD 34,5 kV)

d) Cruzetas: Feitas em madeira de lei ou metálico com proteção anticorrosiva, são responsáveis em

sustentar os cabos nos postes através dos isoladores.

e) Seccionamento e Manobra: As seccionadoras de faca unipolares e tripolares para operação em carga, deverão ser utilizadas em pontos de manobra, visando eliminar a necessidade de desligamentos nas subestações para sua abertura e minimizar o tempo de interrupção, bem como restringir ao máximo o número de consumidores atingidos pela mesma. As referidas chaves deverão ser localizadas em pontos de fácil acesso, para maior facilidade de operação.

f) Religadores

f.1) Em redes de distribuição onde se deseja suprir áreas sujeitas a falhas transitórias, cuja probabilidade

elevada de interrupção tenha sido constatada através de dados estatísticos;

f.2) Em redes de distribuição, após carga cuja continuidade de serviço seja desejada;

b) Condutores da Rede Secundária: Serão utilizados condutores de alumínio e de cobre com bitola compatível com a carga atendida.

c) Postes: Deverão ser usados postes de concreto armado, seção circular ou duplo T.

d) Aterramento: Aterrar os neutros próximos aos transformadores e a carcaça dos transformadores.

3 - Problemas mais comuns numa rede elétrica

a) Perdas pelo Efeito Corona

Ruído de linhas de transmissão de energia elétrica: Você provavelmente a ouviu antes de ter ouvido falar sobre ele. Em um rádio, soa como um zumbido ou rugido que também, pode ser pontuado por pequenos "estalos". Pode ser fraco, forte ou qualquer coisa na média. O ruído das linhas de transmissão pode se intensificar durante tempo úmido. Pode ser mais forte em determinada direção; também pode parecer chegar de todos os lugares de repente.

O objetivo é demonstrar que apesar de ser muito difícil de na prática atenuar o problema, o importante é sabermos identificá-lo, de forma a podermos tomar algumas ações como relatadas ao final ou até posicionar a antena externa adequadamente.

O fato é que existem dois tipos de ruídos de linhas de transmissão: descarga de "corona" ( corona discharge ) e intervalo de centelha ( spark-gap ). O efeito Corona ocorre quando um forte campo elétrico associado com um condutor de alta tensão ioniza o ar próximo ao condutor. O ar ionizado pode se tornar azul e se tornar audível em forma de "estalos". O efeito Corona também libera partículas de O2 e produz oxigênio tri-atômico - O3, ozônio - um gás corrosivo que destrói equipamentos de linhas de potencia e coloca em perigo a saúde humana. E o efeito Corona gera ruído eletromagnético de largo espectro.

Geralmente, quanto maior a tensão, maior o efeito corona. Este efeito também aumenta com a umidade e chuva porque tornam o ar mais condutivo. O ruído de corona induzido é geralmente pior durante a chuva, quando a precipitação cai em forma de gotas nas bordas inferiores das linhas de transmissão.

b) Perdas pelo Efeito Joule

É o aquecimento dos condutores devido ao atrito provocado pela passagem da corrente elétrica com as moléculas que compõem o elemento condutor.

Para reduzir as perdas por aquecimento nos fios transportadores, a energia elétrica deve ser transmitida com baixa corrente e alta voltagem. Esta é exatamente a solução adotada pelos engenheiros eletricistas ao projetarem as linhas de transmissão. O valor da alta voltagem usada em cada caso depende da potência a ser transmitida e da distância entre a usina e o local de consumo. Assim, são usadas voltagens de 138.000 V, 230.000 V, 400.000 V etc. e, atualmente, já são projetadas transmissões com até 1.200.000 V. Não é possível, entretanto, elevar indefinidamente o valor destas altas voltagens porque acima de certos valores o ar em volta do fio torna-se condutor, permitindo o escoamento de eletricidade, o que constituiria outra forma de perda de potência.

c) Spike (Surto de tensão)

É um ruído que se apresenta de forma bem rápida. Normalmente se inicia com uma sobretensão de curtíssima duração, seguida por uma subtensão também de curta duração.

Causas: chaveamento de componentes estáticos (SCR’s, Triac’s, IGBT’s, etc.) e que controlam cargas indutivas (motores, solenóides, etc.).

Efeitos: Queima de circuitos de controle.

Soluções: Emprego de varistores ou TVS; filtros RC (snubbers); transformador isolador.

d) Sobretensão

Semelhante ao spike só que o tempo de duração do evento é maior, podendo durar vários ciclos ou ser até permanente.

Causa: problemas de fornecimento da concessionária; e transformador da SE mal empregado.

Efeitos: queima das placas eletrônicas, principalmente dos inversores de freqüência; aquecimento excessivo das etapas de potência e motorização; e desligamento freqüente das proteções.

Soluções: comunicar a concessionária se o problema for dela; ajustar tap’s do transformador da SE.

e) Subtensão

Problema inverso ao da sobretensão e também pode ter origem da própria concessionária. Os limites aceitáveis para a sobretensão e subtensão são de 10% na amplitude e 2% na freqüência.

Efeitos: falha de torque dos motores elétricos; falhas na CPU; e queima de placas eletrônicas.

Soluções: comunicar a concessionário se o problema for dela; aumentar a potência do trafo da SE; eliminar a sobrecarga da linha; e alternar a utilização das máquinas de grande potência.

f) Distorção da forma de onda

A senóide fica toda irregular devido ao excesso de cargas indutivas.

Efeito: mau funcionamento geral, falha esporádica e aquecimento anormal da etapa de potência.

Solução: correção do fator de potência com a colocação de banco de capacitores.

g) Distorção harmônica

A senóide tem a sua forma levemente deformada devido a todos os itens citados acima.

Efeitos: queima de placas eletrônicas; falhas aleatórias na CPU; perda de parâmetros nas máquinas; etc.

Soluções: uso de toróides na alimentação; transformadores isoladores; redução da freqüência de PWM dos inversores de freqüência; melhoras o aterramento elétrico.

h) Flicker (Cintilação)

Fenômeno comum em instalações que apresentam uma grande quantidade de reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes. Podemos observar a sua presença ao sentir tremular a luminosidade das lâmpadas fluorescentes.

Causa: Uso de reatores eletrônicos.

Efeito: dependendo da intensidade, pode até não trazer efeitos significativos para os circuitos eletrônicos, mas o tremor das lâmpadas incomoda a visibilidade, causando até ardência dos olhos.

Solução: aterrar as calhas e os reatores; reduzir a distância dos cabos de alimentação; e utilizar toróides na alimentação.