Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica

KLS GERAÇÃO TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Geração transmissão e distribuição de energia elétrica Filipe Matos de Vasconcelos Geração transmissão e distribuição de energia elétrica 2017 Editora e Distribuidora Educacional SA Avenida Paris 675 Parque Residencial João Piza CEP 86041100 Londrina PR email editoraeducacionalkrotoncombr Homepage httpwwwkrotoncombr Dados Internacionais de Catalogação na Publicação CIP Vasconcelos Fillipe Matos de ISBN 9788552201793 1 Energia elétrica I Título CDD 621317 Fillipe Matos de Vasconcelos Londrina Editora e Distribuidora Educacional SA 2017 224 p V331g Geração transmissão e distribuição de energia elétrica 2017 por Editora e Distribuidora Educacional SA Todos os direitos reservados Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio eletrônico ou mecânico incluindo fotocópia gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação sem prévia autorização por escrito da Editora e Distribuidora Educacional SA Presidente Rodrigo Galindo VicePresidente Acadêmico de Graduação Mário Ghio Júnior Conselho Acadêmico Alberto S Santana Ana Lucia Jankovic Barduchi Camila Cardoso Rotella Cristiane Lisandra Danna Danielly Nunes Andrade Noé Emanuel Santana Grasiele Aparecida Lourenço Lidiane Cristina Vivaldini Olo Paulo Heraldo Costa do Valle Thatiane Cristina dos Santos de Carvalho Ribeiro Revisão Técnica André Luís Delvas Fróes Annete Silva Faesarella Editorial Adilson Braga Fontes André Augusto de Andrade Ramos Cristiane Lisandra Danna Diogo Ribeiro Garcia Emanuel Santana Erick Silva Griep Lidiane Cristina Vivaldini Olo Sumário Unidade 1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência Seção 11 Introdução aos sistemas elétricos de potência Seção 12 Estrutura de um sistema elétrico de potência Seção 13 Características do sistema elétrico brasileiro 7 9 27 44 Unidade 2 Geração de energia elétrica Seção 21 Introdução à geração da energia elétrica Seção 22 Centrais Hidrelétricas Seção 23 Centrais Termelétricas 63 65 81 97 Unidade 3 Transmissão de energia elétrica Seção 31 Introdução aos sistemas de transmissão de energia elétrica Seção 32 Parâmetros de linhas de transmissão Seção 33 Modelagem de linhas de transmissão 117 119 137 153 Unidade 4 Distribuição de energia elétrica Seção 41 Introdução aos sistemas de distribuição de energia elétrica Seção 42 Fatores típicos das cargas Seção 43 Métodos de modelagem e análise 171 173 190 206 Palavras do autor A atual conjuntura socioeconômica associada à evolução tecnológica e com maior atenção às questões ambientais vem provocando profundas transformações nos sistemas elétricos de potência como a adoção de novas tecnologias de geração de energia especialmente de microgeração ex solar e eólica a redefinição dos papéis dos agentes de geração novas formas de transmissão e distribuição e o surgimento de novos modelos de negócio que incorporem essas novas realidades às políticas públicas em busca da conscientização de pessoas e de uma participação mais ativa dos usuários finais da energia elétrica como produtores e agentes de um mercado de energia Para compreender como os sistemas de energia devem mudar nas próximas décadas a disciplina Geração Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica se insere como um requisito básico e fundamental para que você aluno futuro profissional da área possa compreender todas as estruturas e especificidades dos sistemas elétricos de potência tais como seus padrões e políticas e seja capaz de realizar análises por meio de modelos matemáticos além de projetar sistemas Você desse modo estará capacitado a não somente compreender os impactos causados pelas recentes transformações que os sistemas de energia vêm sofrendo mas a também criar novas oportunidades de negócio para atender às demandas e expectativas da sociedade Para isso todavia é muito importante que você se dedique a estudar e a compreender bem o conteúdo deste livro Esperase que ao final do estudo desta disciplina você seja capaz de conhecer e compreender os principais conceitos e fundamentos dos sistemas elétricos de potência que englobam tanto a tradicional estrutura de geração transmissão e distribuição da energia quanto as características do sistema elétrico brasileiro As formas de geração de energia elétrica com destaque para as centrais hidrelétricas e para as termelétricas também devem ficar bem claras para que você saiba avaliar os benefícios técnicos financeiros e os impactos ambientais de cada tipo de empreendimento Sobre as linhas de transmissão você será introduzido aos tipos de condutores aos isoladores e às estruturas das linhas utilizadas em campo com ênfase em alguns cálculos de projetos de linhas de transmissão resistência indutância e capacitância e em algumas formas de modelar matematicamente esses componentes e seus efeitos Por fim quando as especificidades dos sistemas de distribuição de energia elétrica forem abordadas você deverá ser capaz de analisar criticamente as diferenças entre as redes de transmissão suas particularidades e desafios Caro aluno esperamos que você esteja motivado a estudar e a aprender os conceitos e aplicações da geração da transmissão e da distribuição de energia elétrica É imprescindível que você realize um autoestudo com independência e dedicação inclusive às suas atividades nos momentos pré e pósaula Bons estudos e ótimo aprendizado Unidade 1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência Convite ao estudo Caro aluno nesta primeira unidade iremos estudar temas introdutórios aos Sistemas Elétricos de Potência SEP o que inclui os fundamentos e a estrutura de um SEP de maneira geral e as características do sistema elétrico brasileiro de maneira mais específica Assim na primeira seção desta unidade abordaremos como se desenvolveram os estudos a respeito da eletricidade e o surgimento dos SEP no modelo como conhecemos hoje Esse conhecimento facilita a compreensão de por exemplo como a corrente alternada se tornou amplamente utilizada ao redor do mundo Também estudaremos quais são as principais características dos SEP abordando as suas composições e os níveis de tensão padronizados e não padronizados Exploraremos também como os SEP são representados por meio de diagramas unifilar equivalente por fase e multifilar Por fim explicitaremos as novas tendências para o mercado da energia elétrica Na segunda seção serão abordadas as estruturas de um SEP ressaltando com maiores detalhes os objetivos os padrões e os equipamentos utilizados Diferenciaremos os SEP europeus dos SEP norte e sulamericanos As mudanças e os desafios que os SEP devem encarar nas próximas décadas diante da inclusão de novas tecnologias também serão discutidos sendo o aquecimento global e a necessidade de redução de emissão de gases de efeito estufa duas das maiores causas para tais mudanças Na terceira seção por fim iremos estudar com mais detalhes as características dos sistemas elétricos brasileiros com ênfase nos tipos de geração de energia elétrica predominantes no Brasil em como essa energia é transportada dos grandes centros produtores até as unidades consumidoras pelo Sistema Interligado Nacional SIN e nas principais características do sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica do país explicitando por que as redes de transmissão devem ser malhadas e as de distribuição radiais Temos como objetivo desta unidade que você aluno seja capaz de analisar criticamente o sistema elétrico brasileiro em comparação com diferentes sistemas elétricos ao redor do mundo a fim de compreender suas particularidades Assim você terá subsídios suficientes para propor soluções energéticas inovadoras para o Brasil determinando diretrizes para o planejamento energético e quem sabe criando novas oportunidades de negócios Neste contexto suponha que você aluno sonhe em trabalhar com planejamento operação ou expansão de sistemas de energia e por isso prestou um concurso para trabalhar no Ministério de Minas e Energia MME e foi aprovado Para tal um requisito básico é que você conheça muito bem as características dos sistemas elétricos de potência e compreenda a função de cada elemento constituinte desses sistemas Tendo em vista a conjuntura nacional e internacional de desenvolvimento socioeconômico ser capaz de compreender e avaliar as tendências para o futuro é um requisito extremamente desejável em um profissional da área Assim uma de suas primeiras tarefas no novo emprego é ser responsável por realizar uma análise crítica do sistema elétrico brasileiro no formato de um relatório a ser disponibilizado no site do MME descrevendo primeiramente as características dos sistemas elétricos de potência no mundo e posteriormente correlacionandoas com o contexto brasileiro a respeito de sua visão sobre as perspectivas e desafios futuros no setor U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 9 Seção 11 Introdução aos sistemas elétricos de potência Caro aluno como nesta seção iremos estudar o desenvolvimento histórico dos sistemas elétricos de potência suas formas de representação suas características e as tendências para o mercado de energia você estará capacitado a conhecer e compreender os fundamentos básicos da estrutura dos sistemas de energia elétrica além de ser ntroduzido nas tendências para o futuro do setor Dedicar se ao estudo do que será apresentado nesta seção é imprescindível para um engenheiro que deseja atuar nas áreas de geração transmissão ou distribuição de energia elétrica pois os aspectos abordados são os pilares e requisitos mínimos para a compreensão desses sistemas Assim retomando o cenário em que você recentemente se tornou um engenheiro do MME no qual uma de suas primeiras tarefas no novo emprego é a de ser responsável por realizar uma análise crítica do sistema elétrico brasileiro e mundial nesse primeiro momento você e a sua equipe foram requeridos para elaborar um relatório parcial a ser encaminhado para o seu gestor para verificação e aprovação a respeito da atual conjuntura global do setor elétrico Esperase portanto que o relatório apresente as tendências do que tem ocorrido no mundo para motivar a busca por desenvolvimento sustentável que está intimamente relacionado com a necessidade de frear o aquecimento global além de verificar estratégias para lidar com o aumento de demanda e com a escassez de oferta de energia e de incorporação da geração próxima às cargas Para cumprir essa tarefa as seguintes perguntas devem ser respondidas no seu relatório No que se refere ao desenvolvimento sustentável que tipos de práticas o setor elétrico deve tomar para preservar o meio ambiente No que se refere ao crescimento de carga e escassez de oferta de energia que ações podem ser tomadas para atender a essa crescente demanda Diálogo aberto U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 10 Como você visualiza as transformações que os sistemas elétricos devem sofrer nas próximas décadas para se adequar a essas novas realidades E qual a necessidade de se reformar o setor elétrico e liberalizar o mercado de energia nesse cenário de transformações Caro engenheiro do MME você está preparado para resolver essa tarefa Espero que você esteja animado Bons estudos e um ótimo trabalho História dos sistemas elétricos de potência Para compreendermos o desenvolvimento dos Sistemas Elétricos de Potência SEP as primeiras observações a respeito da eletricidade estática e consequentemente a respeito dos aspectos da energia elétrica ocorreram por volta de 600 aC por um filósofo grego chamado Tales de Mileto Muitos séculos depois é que estudos mais aprofundados foram surgindo e assim a criação da indústria da eletricidade como conhecemos hoje pôde se estabelecer Os SEP e a indústria da energia elétrica surgiram somente por volta de 1880 pois entre os anos de 1750 e 1850 surgiram muitas descobertas relativas aos princípios da eletricidade e do magnetismo como a invenção da bateria elétrica em 1800 e do gerador e do motor elétrico em 1831 Somente no ano de 1870 a eletricidade teve sua aplicação comercial por meio de lâmpadas a arco voltaico em iluminação pública tecnologia comum nos anos de 1888 a 1920 e no ano de 1879 um grande estímulo para o desenvolvimento da energia elétrica surgiu com Thomas Edison pela invenção e comercialização da lâmpada incandescente Em 1881 portanto na cidade de Godalming Inglaterra dois engenheiros eletricistas desenvolveram a primeira central de produção de energia elétrica no mundo baseada em rodas de água Essa central alimentava de maneira não constante 7 lâmpadas a arco 250 V e 34 lâmpadas incandescentes 40 V em corrente alternada CA No mesmo ano todavia Edison tornouse mais reconhecido pelo início da indústria da energia porque foi responsável pela famosa estação de energia elétrica Pearl Street Station New York Ao entrar em operação em setembro de 1882 ela era composta por 6 geradores de corrente contínua CC acionados por motores a vapor e fornecia Não pode faltar U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 11 30 kW em 110 V para 59 consumidores em uma área de 30 km de diâmetro Embora Edison tivesse revolucionado a ciência e a indústria a distribuição da energia se limitava à distância de 800 metros pois a corrente contínua não podia ser facilmente elevada para altas tensões e assim reduzir as perdas elétricas A solução surgiu com a invenção do transformador por Gaulard e Gibbs em 1881 quando passou a ser possível elevar a tensão para a transmissão e reduzir para o consumo obs transformadores só existem em corrente alternada Westinghouse adquiriu a patente do transformador e em 1884 iluminou 40 km de uma ferrovia a partir de um único gerador aplicando corrente alternada ou CA A partir do desenvolvimento dos sistemas polifásicos CA por Tesla Westinghouse foi capaz de proliferar os sistemas de distribuição CA sendo o primeiro instalado em Great Barrington Massachusetts EUA no ano de 1884 alimentando 150 lâmpadas A primeira linha de transmissão CA surgiu em 1889 4 kV monofásica e com 21 km de extensão PINTO 2013 E assim na década de 1890 se acirraram as disputas entre Westinghouse e Edison na famosa Guerra das Correntes para decidir entre as correntes CC ou CA qual seria a padronizada para a distribuiçãotransmissão da energia elétrica No fim a possibilidade da transmissão de energia elétrica em alta tensão por longas distâncias a transformação da tensão e o uso mais simples e econômico foram os fatores que tornaram a corrente CA vencedora PINTO 2013 Pesquise mais Sobre a Guerra das Correntes Edison defendia a utilização de corrente contínua para a distribuição de eletricidade enquanto Westinghouse e Nikola Tesla defendiam a corrente alternada Entenda o que aconteceu na disputa e como a corrente alternada se tornou a mais adequada para distribuir a energia elétrica O Discovery Channel produziu um documentário muito interessante que explica como tudo se desenvolveu denominado A Guerra Elétrica A Disputa entre Edison Westinghouse e Tesla No início da década de 1950 no entanto a transmissão em CC passou a ser viável devido ao surgimento de equipamentos que reduziriam os custos ex válvulas de mercúrio Assim sistemas de U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 12 transmissão CC em alta tensão HVDC high voltage direct current surgiram e em 1954 a primeira conexão HVDC surgiu entre a ilha de Gotland e a Suécia em cabo submarino de 96 km de extensão 100 kV e 20 MW Desde então o interesse por redes HVDC vem crescendo principalmente para emprego em longas distâncias No Brasil por exemplo existe um link HVDC partindo da Usina Hidrelétrica de Itaipu em 600 kV e 810 km de extensão de Foz do Iguaçu PR à Ibiúna SP No mundo até 2008 foram desenvolvidas 57 linhas HVDC de até 600 kV PINTO 2013 Para compreendermos bem a evolução dos SEP destacamos portanto importantes agentes cientistas estudiosos e empreendedores nesse contexto tais como James Watt 17361819 A potência ativa medida em Watt é uma homenagem às suas contribuições Watt foi o responsável por estabelecer o princípio de funcionamento do motor a vapor contribuindo significativamente para o avanço da Revolução Industrial Alessandro Volta 17451827 A força eletromotriz fem medida em Volt é uma homenagem às suas contribuições Volta estabeleceu os princípios da pilha voltaica o antecessor da bateria elétrica André Marie Ampère 17751836 A corrente elétrica medida em Ampère é uma homenagem às suas contribuições Ampère elaborou as bases do eletromagnetismo partindo das experiências de Oersted sobre os efeitos eletromagnéticos da corrente elétrica Maxwell o denominou de o Newton da Eletricidade Georg Simon Ohm 17891854 As resistência reatância e indutância medidas em Ohm são uma homenagem às suas contribuições principalmente com as 1ª e 2ª Lei de Ohm Seu trabalho foi publicado em 1827 e reconhecido apenas um século depois em 1927 Quadro 11 Cientistas estudiosos e empreendedores que se tornaram grandes nomes dos SEP U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 13 Michael Faraday 17911867 A capacitância medida em Faraday é uma homenagem às suas contribuições Ele descobriu a indução eletromagnética e o princípio do motor elétrico Foi um dos maiores experimentalistas da história da ciência e suas descobertas em eletromagnetismo forneceram base para os trabalhos de Maxwell Edison Siemens Tesla e Westinghouse Foi o pioneiro e fundador dos princípios da Eletroquímica definindo os termos ânodo cátodo eletrólito íon eletrodo etc Joseph Henry 17971878 A indutância de uma bobina medida em Henry é uma homenagem às suas contribuições Os fenômenos de indução eletromagnética e de indutância mútua foram descobertos enquanto ele construía eletroímãs Gustav Robert Kirchhoff 18241887 As Leis de Kirchhoff para correntes e tensões na análise de circuitos elétricos surgiram em 1845 enquanto ele ainda era um estudante Outras contribuições suas surgiram no campo da espectroscopia Thomas Alva Edison 18471931 Edison foi inventor cientista e empresário reconhecido por inventar a lâmpada incandescente dentre as 2332 patentes acumuladas em sua carreira Aperfeiçoou as tecnologias no cinema na máquina de escrever no telefone e em diversos dispositivos elétricos como geradores Foi criador e sócio da atual General Electric Company Em corrente contínua instalou a primeira usina de geração com fins comerciais em Wall Street New York Alimentava 7200 lâmpadas 700 kW em 110 V Antes de Edison em Londres já havia uma central elétrica para alimentar 1000 lâmpadas U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 14 Nikola Tesla 18561943 A densidade de fluxo magnético medida em Tesla é uma homenagem às suas contribuições Foi o inventor dos motores de indução e síncrono e dos sistemas polifásicos a base dos SEP atuais Definiu a frequência de 60 Hz como fundamental nos EUA Na Guerra das Correntes vide item Pesquise mais juntamente com Westinghouse venceu a disputa contra Edison seu antigo empregador e os EUA passou a adotar a corrente alternada como modelo padrão para distribuição da energia George Westinghouse 18461914 Westinghouse foi um dos empresários pioneiros na indústria da energia elétrica Responsável por inventar o freio a ar comprimido para locomotivas Comprou a patente dos transformadores de Gaulard e Gibbs ingleses e do motor elétrico de Tesla e viabilizou a distribuição da energia das cataratas do Niágara até Buffalo nos EUA efetivando a aceitação da corrente alternada sobre a contínua e vencendo a Guerra das Correntes contra Edison vide item Pesquise mais Fonte Informações adaptadas de Leão 2009 figuras extraídas de Wikipedia 2017a a 2017j Características dos sistemas elétricos de potência Os SEP podem ser caracterizados como sistemas com o objetivo de fornecer energia elétrica com qualidade e no instante em que é solicitada tanto a grandes como pequenos consumidores Dentre os requisitos básicos desses sistemas podemos citar continuidade do serviço energia sempre disponível conformidade obedece a padrões flexibilidade capacidade de se adaptar a novas topologias segurança sem risco aos consumidores e manutenção restauração do sistema o mais rápido possível em caso de falha Os SEP são normalmente trifásicos podendo ser também bifásicos e monofásicos Apresentam um número grande de componentes tais como compensadores síncronos bancos de capacitores bancos de indutores geradores relés transformadores linhas pararaios etc E são compostos pelas seguintes partes geração de energia conversão de alguma forma de energia como térmica e cinética para produção U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 15 de energia elétrica transmissãodistribuição de energia sistemas que transportam a energia para os consumidores e consumidores fazem uso da energia elétrica para diversas aplicações tais como para o funcionamento de lâmpadas motores computadores etc A Figura 11 ilustra a topologia típica de um SEP Fonte Pinto 2013 Figura 11 Topologia típica de um SEP geração transmissão e distribuição Os sistemas de geração tipicamente produzem energia em tensões entre 69 kV até 30 kV Para transportar essa energia dos grandes centros produtores em geral distantes dos centros de consumo como acontece com as hidrelétricas por exemplo os níveis de tensão são elevados por transformadores trafo elevadores Essa energia é transportada com menores perdas pelos sistemas de transmissão sob um custo de Tarifa de Uso da Transmissão Tust Nos grandes centros consumidores essa tensão é reduzida novamente por transformadores trafo abaixadores para transportar essa energia nos sistemas de distribuição e viabilizar o consumo da energia com segurança sob um custo de Tarifa de Uso da Distribuição Tusd Assimile Caro aluno relembre de circuitos elétricos que a potência elétrica P é uma função da tensão V multiplicada pela corrente elétrica I isto é P V I e as perdas elétricas nos condutores Pperdas por sua vez são obtidas pela multiplicação da resistência do condutor r pelo quadrado da corrente elétrica ie P r I perdas 2 ou P V r perdas 2 Assim observe num exemplo prático que para atender uma certa demanda de potência P 69 MW 1 por exemplo tornase vantajoso elevar os níveis de tensão de V 69 kV 1 para V 69 kV 2 pois a corrente reduziria U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 16 de I 10000 A 1 para I 1000 A 2 No cálculo das perdas portanto o aumento da tensão de V1 para V2 em 10 vezes permite obter uma redução de 100 vezes no valor total das perdas elétricas Por esse motivo os sistemas de transmissão são importantes pois transportar a energia com maiores níveis de tensão e consequentemente menores correntes reduz drasticamente o montante de energia que se perde por Efeito Joule Ainda conforme a Figura 11 os consumidores podem ser cativos ou livres Os consumidores cativos possuem tarifa regulada isonômica para uma mesma classe A1 até A4 e fornecedor compulsório absorvendo as incertezas e os erros de planejamento nas tarifas Já nos consumidores livres a energia é livremente negociada e o consumidor assume seus próprios riscos e incertezas na compra da energia Pesquise mais Sobre as diferenças de consumidores cativos e livres acesse o link httpwwwabraceelcombrzpublishersecoesmercadolivre aspmid19150 Acesso em 10 jun 2017 No Brasil as tensões eficazes padronizadas bem como as não padronizadas e em utilização são mostradas na Tabela 11 Tensão kV Campo de aplicação Área do sistema de potência Padronizada Existente 0220 0127 0110 Distribuição secundária BT Distribuição 0380 0220 0230 0115 138 119 Distribuição primária MT 345 225 345 Subtransmissão AT 690 880 1380 1380 Transmissão Transmissão 2300 4400 3450 7500 5000 Fonte Kagan Oliveira e Robba 2010 p 4 Tabela 11 Tensões usuais em sistemas de potência U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 17 Exemplifi cando Os consumidores podem migrar para o mercado livre se respeitarem um dos critérios Lei n 96481998 i unidades consumidoras com cargas maior ou igual a 3000 kW em tensão maior ou igual a 69 kV ou em qualquer nível de tensão se instaladas após 7 de julho de 1995 ii unidades consumidoras com demanda maior ou igual a 500 kW em qualquer tensão todavia o fornecedor é restrito a fontes incentivadas pequenas centrais hidrelétricas usinas de biomassa usinas eólicas e sistemas de cogeração qualificada ABRACEEL 2017b Representação do sistema elétrico de potência Os SEP são representados por diagramas unifilares equivalentes por fase e multifilares Nos diagramas unifilares o sistema é representado por meio de um único fio omitindo o condutor neutro usualmente para sistemas monofásicos ou trifásicos balanceados ie quando as três fases possuem o mesmo carregamento mostrando apenas os principais componentes e suas conexões Fonte Pinto 2013 Figura 12 Diagrama unifilar de um sistema de potência Nos diagramas equivalentes por fase a representação também é unifilar em sistemas com duas ou mais fases de modo que a análise numérica do sistema possa ser simplificada considerando que as fases possuem as mesmas características Sua principal aplicação é apresentar os valores de impedância de geradores U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 18 linhas de transmissão transformadores capacitores cabos cargas etc LEÃO 2009 Nos diagramas multifilares o sistema é representado por meio de dois ou mais fios para ilustrar as interconexões de circuitos elétricos apresentando todas as fases do SEP permitindo uma análise mais detalhada e sempre representando o neutro quando este existir Fonte adaptada de Stevenson 1986 p 392 Figura 13 Diagrama multifilar para os circuitos de potência transformador e de proteção relé transformador de corrente diferencial e transformador de corrente auxiliar Assimile Os diagramas unifilares e equivalentes por fase têm o intuito de simplificar as análises em SEP O diagrama multifilar por sua vez é mais adequado para permitir análises mais aprofundadas e complexas Tendências para o mercado de energia elétrica O mercado de energia tradicional baseiase no fato de que o fluxo de energia ocorre sempre à jusante partindo da geração para as cargas fluxo unidirecional Assim tarifas fixas são aplicadas por agentes reguladores em um mercado sem competição já que os sistemas de transmissão e de distribuição já foram concedidos a empresas U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 19 Esses sistemas portanto configuramse como monopólios naturais onde quer que já existam pois é inviável técnica e financeiramente estimular a adoção de uma nova infraestrutura em paralelo a uma já existente para se ter concorrência A tendência internacional para o mercado de energia elétrica é estimular a concorrência à medida que viabiliza a escolha de quem irá suprir energia elétrica até a sua unidade consumidora Além disso com a adoção de novas tecnologias de monitoramento smart meters pretendese modificar a realidade de um gerenciamento com informação limitada em tempo real para um comércio de energia em tempo real em um mercado liberalizado A introdução massiva e a consolidação da geração distribuída ie geradores próximos às cargas tais como painéis solares e turbinas eólicas fortemente motivada por questões ambientais de redução de gases de efeito estufa tem papel fundamental na transição de um modelo de fluxos unidirecionais para fluxos multidirecionais fazendo com que haja um número expressivo de consumidores se tornando também produtores de energia do inglês prosumer producer consumer O papel passivo dos consumidores assumidos até então será substituído por uma ativa participação na cadeia de fornecimento da energia elétrica Por fim com essa produção de energia localizada e próxima às cargas surgem as microrredes que viabilizarão novas oportunidades de negócios LEÃO 2009 Reflita Como deverá ser o mercado de energia elétrica no Brasil e no mundo nas próximas décadas As mudanças no Brasil deverão acompanhar a rápida transição que os países europeus estão buscando Quais os fatores determinantes para haver uma mudança no mercado de energia nacional Sem medo de errar Retomando a situaçãoproblema proposta no Diálogo aberto na qual o seu gestor solicitou um relatório técnico parcial que apontasse as transformações que os sistemas elétricos devem sofrer nas próximas décadas você organizará seu documento contemplando os seguintes tópicos introdução com aspectos da conjuntura social econômica e ambiental a produção de energia elétrica e os U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 20 impactos ambientais práticas para preservar o meio ambiente que alteram a dinâmica dos SEP as transformações nos SEP em países desenvolvidos e em países subdesenvolvidos e a adoção de novas tecnologias como geração distribuída e veículos elétricos A conjuntura social econômica e ambiental de uma sociedade majoritariamente capitalista estimula a produção e o consumo desenfreado de bens de consumo gerando cada vez mais prejuízos ao meio ambiente e em alguns casos até a escassez de recursos O consumo de energia elétrica neste cenário está diretamente associado ao crescimento econômico das nações e nesse contexto somente a produção da energia elétrica é responsável por cerca de 13 das emissões de gases de efeito estufa no mundo Nos dias atuais portanto os países europeus e alguns outros países desenvolvidos foram os pioneiros a direcionar esforços significativos no sentido de combater os desastres ambientais causados pelo aquecimento global No Reino Unido por exemplo o Departamento de Energia e Mudanças Climáticas foi ainda mais ambicioso que as metas de redução de poluentes estabelecidas no Protocolo de Kyoto 1995 e determinou que a Inglaterra também o País de Gales e a Escócia devem reduzir em pelo menos 80 a emissão de gases de efeito estufa até o ano de 2050 em comparação com valores de 1990 Para preservar o meio ambiente portanto diversas práticas estão sendo adotadas principalmente em países desenvolvidos sendo elas racionalização e conscientização do uso da energia elétrica aperfeiçoamento de diversas práticas de eficiência energética tanto no lado da demanda como por parte das concessionárias eletrificação dos aquecedores em substituição ao aquecimento a gás adoção massiva de geração distribuída como solar e eólica por meio de subsídios do governo aposentadoria de antigas usinas a carvão e a gás utilização de novas tecnologias para captura e armazenamento de carbono Carbon Capture and Storage CCS em tradicionais usinas termelétricas incentivo à substituição de veículos a combustíveis fósseis por veículos elétricos etc Com isso estudos de viabilidade para implementação de práticas de liberalização do mercado de energia e como essas novas tecnologias e os novos agentes vão participar nesse novo mercado estão sendo intensamente investigados Os países subdesenvolvidos entretanto ainda estão aquém nessa busca por preservação do meio ambiente Dois motivos principais U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 21 podem ser destacados i o montante de energia per capita produzido nesses países em geral é bastante inferior em comparação aos países desenvolvidos logo esses passam a ser menos responsáveis pelo aquecimento global ii pela sua condição de subdesenvolvimento há questões prioritárias a serem combatidas como a fome a miséria dentre outras que requerem um desenvolvimento energético a baixo custo ie utilizando fontes de energia não renováveis e poluentes para viabilizar um desenvolvimento econômico e social significativo Nessa contextualização portanto inserese um novo desafio para os SEP o de crescimento da demanda associado ao crescimento populacional e ao aumento da utilização da eletricidade per capita e a escassez na oferta Assim saber determinar quando os países subdesenvolvidos também devem pagar o preço do aquecimento global e utilizar fontes renováveis de energia mais cara em larga escala é um pontochave para não sacrificar seu desenvolvimento econômico e social e garantir a sustentabilidade mundial Por fim no que se refere aos desafios a serem projetados para o futuro dos SEP de uma maneira geral devemos primeiramente tomar como base a sua evolução histórica Assim somos capazes de compreender que os SEP foram sendo desenvolvidos desde os trabalhos de Tesla e Westinghouse sob o princípio de fluxos unidirecionais de energia em corrente alternada partindo de grandes centros produtores como hidrelétricas termelétricas usinas nucleares etc por meio de sistemas de transmissão e distribuição até que essa energia pudesse ser despachada às unidades consumidoras conforme Figura 11 Sendo assim se os SEP foram prioritariamente projetados como tal podese concluir que os componentes geradores transformadores condutores etc à montante de um ponto no sistema são tipicamente de maior capacidade que os demais encontrados à jusante desse mesmo ponto Essa característica intrínseca da infraestrutura tradicional dos SEP é crítica pois considerando que as redes de transmissão e principalmente as de distribuição não foram projetadas para fluxos multidirecionais de energia isto será responsável por gerar uma série de desafios na operação desses sistemas quando existirem geradores próximos às cargas geração distribuída e mais incertezas na demanda como a presença de veículos elétricos U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 22 Avançando na prática Planejamento da expansão de uma distribuidora de energia Descrição da situaçãoproblema Caro aluno suponha agora que você é o especialista responsável pelo planejamento da expansão de uma concessionária de distribuição de energia elétrica de um país desenvolvido e que possui metas ambiciosas para combater o aquecimento global Todavia como engenheiro o seu papel é visar lucro para a empresa e secundariamente você deve sim atender às metas de redução de gases de efeito estufa nas suas tomadas de decisão Esse planejamento deve ser elaborado para um horizonte de 10 e 20 anos e apresentado diretamente ao diretor da empresa que após aprovar suas medidas tomará providências com o seu acompanhamento para efetivar a realização das suas propostas de adequações Para cumprir esse novo desafio você analisou as características econômicas sociais e geográficas das regiões às quais sua empresa fornece serviço e conseguiu as seguintes informações O governo nacional fornece subsídios para instalação de microgeração limpa e renovável Os agentes reguladores já iniciaram práticas para liberalização do mercado permitindo que consumidores gerem sua própria energia há novas formas de as distribuidoras faturarem com o gerenciamento dessa energia nesse processo A primeira etapa do seu trabalho é mostrar como tal conjuntura afeta as redes de distribuição e assim ratificar a necessidade de planejar uma adequação dessas redes Para isso você separou um alimentador trifásico desbalanceado sem microgeração nos dias de hoje e deve mostrar uma projeção para 10 e 20 anos de como ele deve ficar com microgeração A Figura 14 mostra o diagrama unifilar do alimentador atual com o fluxo de energia partindo da barra 800 subestação para as demais em uma única direção U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 23 Os círculos com uma seta em diagonal entre as barras 814 e 850 e 832 e 852 são reguladores de tensão dispositivos responsáveis por ajustar as magnitudes de tensão próximas aos valores nominais O símbolo entre as barras 832 e 888 são transformadores dispositivos responsáveis por elevar ou abaixar a magnitude de tensão Elabore um resumo que destaque medidas a serem adotadas para adequálo à presença dessa microgeração e dos fluxos multidirecionais de energia elétrica considerando que em 10 anos cerca de 20 dos consumidores já terão instalados microgeradores e em 20 anos cerca de 53 Resolução da situaçãoproblema Analisando as características das redes de distribuição da concessionária que você trabalha todas seguem o mesmo princípio da rede da Figura 14 ou seja com fluxos de energia unidirecionais da subestação para as cargas em uma rede radial Nesse sentido essa rede já foi projetada há muitos anos para operar dessa maneira e continua funcionando com confiabilidade e segurança Considerando o caso em que o governo federal tem adotado políticas de subsídios à microgeração a energia que antes era demandada dos grandes centros produtores aos poucos vai sendo substituída por geração próxima às cargas e isto gerará uma série de impactos para a sua empresa Para melhor compreendermos segue Fonte Balamurugan Srinivasan e Reindl 2012 p 94 Figura 14 Diagrama unifilar de um sistema de 34 barras U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 24 na Figura 15 o diagrama unifilar da rede de 34 barras com indicações da localização da microgeração de acordo com as projeções de 10 e de 20 anos Fonte adaptada de Balamurugan Srinivasan e Reindl 2012 Figura 15 Diagrama unifilar do sistema de 34 barras de acordo com as projeções para a 10 anos e b 20 anos Da Figura 15 sabese que os próprios consumidores são os donos dos microgeradores instalados na rede de distribuição Por isso é interessante para eles produzirem o máximo de energia possível independente dos possíveis problemas que poderão surgir na rede de distribuição Assim observando a Figura 15a em 10 anos temos que a microgeração espalhada de maneira esparsa na rede poderá reduzir os níveis de corrente nas linhas e contribuirá positivamente para adiar investimentos da sua empresa em expansão do setor Todavia na Figura 15b em 20 anos temos que a microgeração concentrada em pontos específicos da rede como nos ramos das barras 838862 840 e em 848846844842 contribuirá negativamente e requisitará investimentos para reforçar essas linhas devido aos altos níveis de fluxo de energia que partem dos microgeradores em direção à subestação fluxo de potência reverso U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 25 Você como especialista do planejamento da expansão portanto deve preparar sua companhia para investir tanto no reforço da rede elétrica inserção gradativa de mais cabeamento ou substituição por cabos de maior bitola quanto na inserção de mais tecnologias avançadas para controle e operação dessa rede Com a combinação do reforço da rede com as tecnologias de controle você viabilizará uma maior economia para a sua companhia e um desenvolvimento sustentável Faça valer a pena 1 Sobre o histórico dos sistemas elétricos de potência analise as afirmativas a seguir I As redes de transmissão de energia em corrente contínua não devem ser empregadas em longas distâncias como demonstrou Thomas Edison II Diversos cientistas empresários e estudiosos tiveram seus nomes transformados em unidades de medidas elétricas como Volta Ampère Ohm Faraday e Henry III Os sistemas de transmissão de energia elétrica existem graças somente a Nikolas Tesla que desvendou os mistérios dos sistemas polifásicos Assinale a alternativa que corretamente dispõe a ordem das afirmativas verdadeiras V e falsas F a V F V b F V V c F V F 2 Os transformadores de potência são dispositivos comumente empregados em sistemas elétricos para transformar os níveis de tensão entre os seus terminais primários e secundários para ou viabilizar o transporte da energia elétrica em longas distâncias baixas perdas ou viabilizar a utilização dessa energia dentro de níveis consideráveis seguros para utilização dentro das unidades consumidoras Sendo assim um transformador com relação de transformação de os níveis de tensão em e as perdas Sobre transformadores ideais em sistemas elétricos de potência assinale a alternativa correta a elevador 1 para 10 aumenta 10 vezes reduzem em 20 vezes b abaixador 10 para 1 reduz 10 vezes reduzem em 10 vezes c elevador 1 para 5 aumenta 10 vezes reduzem em 5 vezes d elevador 1 para 5 aumenta 5 vezes reduzem em 15 vezes e abaixador 5 para 1 reduz 5 vezes aumentam em 25 vezes d V F F e V V V U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 26 3 Durante grande parte do século XX a comercialização da energia elétrica era feita por monopólios verticalizados ou seja uma mesma empresa podia ser responsável por gerar transmitir distribuir e comercializar a energia elétrica para os consumidores finais Em outros casos a empresa era responsável apenas pela compra e pela distribuição da energia elétrica sendo essa compra da energia normalmente feita por uma única empresa monopolista de geração e transmissão Por fim essas empresas podiam ser particulares ou públicasgovernamentais dependendo de cada país GUILHERME 2017 Atualmente há questionamentos sobre esses modelos mediante as tendências do mercado e ao surgimento de novas tecnologias Assim sobre o mercado de energia e suas tendências assinale a alternativa correta a Em todo o mundo os monopólios verticalizados nunca foram um sucesso porque jamais permitiram disseminar energia elétrica a preços competitivos e decrescentes b Economistas ao redor do mundo questionavam a desverticalização do setor elétrico por inibir mecanismos de incentivo à eficiência e modicidade tarifária c Em um modelo desverticalizado e liberalizado a transmissão e a distribuição deixam de ser monopólios naturais todavia permitese a competição na geração da energia produtores e consumidores podem utilizar e produzir energia com o mínimo de interferência governamental d O modelo de mercado tradicional do setor elétrico apresenta uma série de limitações e não funcionaria bem em um contexto moderno de presença massiva de geração distribuída e No Brasil o modelo de monopólio verticalizado começou a ser questionado na década de 1970 com a construção da usina hidrelétrica de Itaipu U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 27 Seção 12 Estrutura de um sistema elétrico de potência Caro aluno nesta seção iremos estudar a estrutura tradicional dos sistemas elétricos de potência SEP os princípios básicos da proteção desses sistemas e os padrões que devem ser atendidos para garantir que os SEP operem adequadamente A definição os principais componentes e as principais características da geração transmissão e distribuição da energia elétrica também serão apresentadas Na seção anterior compreendemos que uma das transformações que os sistemas elétricos de potência devem sofrer nas próximas décadas é a transição de uma forma de operação convencional e passiva com fluxos de potência unidirecionais para uma operação ativa com fluxos de potência multidirecionais Essa mudança afeta a compreensão que os engenheiros do passado possuíam a respeito da estrutura básica de um sistema elétrico na qual a energia sempre fluía de grandes centros produtores de energia por linhas de transmissão e de distribuição até que atendesse às cargas Sendo assim retomando o contexto de aprendizagem em que você é um engenheiro do Ministério de Minas e Energia MME esta seção facilitará a sua compreensão acerca do assunto apresentando mais detalhes sobre a estrutura e os componentes presentes em SEP No seu relatório de análise crítica do sistema elétrico brasileiro portanto você concluiu em uma primeira análise na seção anterior que a presença de microgeração distribuída em larga escala produz uma série de desafios na operação desses sistemas quando existirem geradores próximos às cargas geração distribuída e mais incertezas na demanda como a presença de veículos elétricos Desse modo a partir do conhecimento sobre a estrutura tradicional atual dos SEP que será apresentada nesta seção da Unidade 1 você precisa esclarecer que tipos de desafios as concessionárias de distribuição de energia elétrica devem estar preparadas para enfrentar ao longo das próximas décadas No que se refere aos sistemas de transmissão da energia elétrica como estes serão afetados Por fim quanto Diálogo aberto U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 28 às grandes centrais de geração de energia que transformações e desafios devem encarar Caro engenheiro do MME você está preparado para cumprir mais essa tarefa Espero que você esteja animado Bons estudos e um ótimo trabalho Os sistemas elétricos de potência SEP são sistemas constituídos por centrais de produção de energia elétrica subestações de transformação e de interligação linhas de transmissão e de distribuição e cargas que ligadas eletricamente entre si são responsáveis por gerar transmitir e distribuir energia elétrica atendendo a determinados padrões LEÃO 2009 As cargas podem ser definidas como os elementos nos SEP que consomem potência ativa ex lâmpada computador motor ou o agrupamento desses elementos ex bairros cidades indústrias A estrutura de um SEP portanto compreende os sistemas de geração transmissão subtransmissão e distribuição de energia elétrica representados pelo diagrama unifilar na Figura 16 Não pode faltar Fonte Kagan Oliveira e Robba 2010 p 3 Figura 16 Diagrama unifilar de um sistema elétrico de potência A filosofia de projeto proteção e controle de SEP tradicionais se baseia em fluxos de energia unidirecionais partindo das grandes centrais de geração de energia elétrica despachadas por centros de controle na tensão em forma de onda senoidal amplitude no valor nominal e frequência no valor de 50 ou 60 Hz valores de frequência U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 29 adotados no mundo De maneira menos usual existem também as redes HVDC High Voltage Direct Current Assim os sistemas de transmissão em alta tensão transmitem essa energia em grandes distâncias e quando próximos aos centros consumidores a distribuem por sistemas de distribuição de média distribuição primária e baixa tensão distribuição secundária Assimile No que se refere ao projeto de SEP tradicionais os elementos transformadores linhas etc quanto mais a montante possuem uma tendência a serem de maior porte Isto se deve porque como os fluxos de energia são unidirecionais tal fluxo é drenado ao longo do caminho por cargas como indústrias de grande porte na transmissão de médio porte na subtransmissão até a distribuição aos consumidores residenciais comerciais e industriais de pequeno porte Tomando como base a Figura 16 o transformador da subestação primária deve ser maior que o da respectiva subestação secundária que é alimentado por este e menor que o da transmissão que o alimenta Na operação de sistemas elétricos de potência com certa frequência ocorrem falhas nos componentes que resultam em interrupções no fornecimento da energia elétrica aos consumidores A falha mais comum é o curtocircuito Outras possíveis falhas são decorrentes de sobrecargas sub e sobretensões originadas de descargas atmosféricas manobras entradasaída de grandes blocos de cargas curtoscircuitos etc Todas essas falhas podem ocorrer mesmo quando se tomam todas as precauções durante as etapas de projeto e execução sendo inerentes ao funcionamento desses sistemas As consequências desses eventos todavia podem ser irrelevantes ou desastrosas dependendo da ação dos sistemas de proteção para mitigar tais efeitos Alguns dados médios de interrupções dos sistemas de geração e transmissão relativos ao sistema elétrico brasileiro podem ser vistos na Tabela 12 MAMEDE FILHO MAMEDE 2016 U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 30 Causa Origem Duração Fenômenos naturais 48 Linha de transmissão 68 1 a 3 min 57 Falhas em materiais e equipamentos 12 Rede de distribuição 10 3 a 15 min 21 Falhas humanas 9 Barramento da subestação 7 15 a 30 min 6 Falhas diversas 9 Transformador de potência 6 30 a 60 min 4 Falhas operacionais 8 Gerador 1 60 a 120 min 3 Condições ambientais 6 Próprio sistema 4 Maior que 120 min 9 Falhas na proteção e medição 4 Consumidor 4 Objetos estranhos sobre a rede 4 Fonte adaptada de Mamede Filho e Mamede 2016 p 4 Tabela 12 Estatísticas das interrupções no fornecimento da energia elétrica no Brasil As interrupções geram custos de duas naturezas custo financeiro perda de faturamento da concessionária devido à energia não vendida e custo social custos financeiros do cliente que perde faturamento em caso de unidade industrial e comercial e custo com a imagem da concessionária junto aos seus clientes relativo ao marketing que a concessionária deve fazer para manter os seus clientes satisfeitos MAMEDE FILHO MAMEDE 2016 Pesquise mais Os custos médios das interrupções comerciais industriais e residenciais variam com o período do dia com o tempo de interrupção e com o tipo de classe de consumidor Em Mamede Filho e Mamede 2016 disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombr books9788521620921pageid17 há valores médios de custos de interrupções em consumidores industriais comerciais e residenciais Verifique em que caso e para cada horário qual custo será maior A proteção dos SEP portanto é importantíssima para garantir a desconexão de todo o sistema elétrico ou de parte dele que esteja submetida a uma anormalidade que o faça operar fora dos limites preestabelecidos A detecção dessas falhas ocorre principalmente pela elevação da corrente elevação e redução da tensão inversão do sentido da corrente alteração da impedância do sistema e U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 31 comparação do módulo e ângulo de fase na entrada e saída do sistema Sendo assim identificar o tipo de falha localizála e aplicar esquemas de restauração do sistema diante de tal falha é também função dos sistemas de proteção Os requisitos básicos de um sistema de proteção são i Seletividade tem a finalidade de selecionar somente o elemento mais próximo da falhadefeito para desconexão e assim isolar a parte defeituosa do restante do SEP ii Zonas de atuação tem a finalidade de definir as zonas de cobertura da proteção para cada elemento de proteção Um determinado elemento só deve ser sensibilizado por uma grandeza elétrica de defeito se estiver em sua zona de atuação zona protegida iii Velocidade a velocidade de atuação da proteção deve ser a menor possível para reduzir ou eliminar possíveis defeitos no sistema protegido reduzir o tempo de afundamento de tensão e permitir a ressincronização de motores iv Sensibilidade tem a finalidade de estabelecer as faixas e os limites de operação segura para os elementos de proteção dos SEP para que eles possam reconhecêlas com precisão e atuarem de acordo v Confiabilidade está associada à capacidade do elemento de proteção atuar com segurança e precisão de acordo com a sua função vi Automação está associada à capacidade do elemento de proteção atuar automaticamente somente pela leitura de grandezas elétricas sem auxílio humano Vale ressaltar que sobrecargas e sobretensões momentâneas e oscilações de corrente tensão e frequência intrínsecas à operação normal do sistema não devem sensibilizar os elementos de proteção MAMEDE FILHO MAMEDE 2016 Os dispositivos básicos para proteção de sistemas elétricos por sua vez são Fusíveis são dispositivos que operam pela fusão de seus elementos metálicos projetados para suportar uma determinada corrente para um certo tempo U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 32 Relés são dispositivos que podem ser desde eletromecânicos os primeiros a surgirem como eletrônicos ou até mesmo digitais os mais recentes responsáveis por realizar a leitura de uma variedade de grandezas elétricas correntes tensões etc que quando atuam enviam o comando de abertura também conhecido como comandos de trip de disjuntores que são os elementos que efetivamente realizam a desconexão elétrica Tais dispositivos realizam a proteção dos SEP de distintas formas sobrecorrente sobrecarga inclusive por descargas atmosféricas curtocircuitos etc Alguns relés comumente utilizados são relé de sobrecorrente instantânea 50 ou temporizada 51 relé de sobretensão 59 ou de subtensão 27 relés de distância 21 relé de proteção diferencial 87 relé direcional de sobrecorrente 67 etc sendo o número entre parêntesis o código do relé que varia de 1 a 98 Existe também uma variedade de relés complementares tais como os de sobrecorrente instantâneo de neutro 50N ou temporizado de neutro 51N etc Pesquise mais Em Mamede Filho e Mamede 2016 as nomenclaturas das funções de proteção e manobra segundo a American National Standards Institute ANSI estão disponíveis em httpsintegradaminhabibliotecacombr books9788521620921pageid23 Sobre os relés de proteção destacase a temporização como uma característica extremamente desejável a fim de garantir uma adequada seletividade entre os diversos elementos de proteção Assim esses elementos podem ser classificados em relés instantâneos relés temporizados com retardo dependente e relés temporizados com retardo independente Os relés instantâneos não apresentam nenhum retardo intencional no tempo de atuação havendo retardo somente devido às características construtivas de inércia do mecanismo de atuação Os relés temporizados com retardo dependente por sua vez são os mais utilizados e caracterizados por uma curva normalmente inversa entre o tempo e a grandeza que o sensibiliza Por fim os relés temporizados com retardo independente têm um tempo de atuação fixo independentemente da magnitude da grandeza que o sensibiliza A Figura 17 ilustra os relés temporizados com curva de temporização U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 33 com retardo dependente e independente sendo a corrente elétrica a grandeza que sensibiliza tal relé para cada caso Fonte Mamede Filho e Mamede 2016 p 20 Figura 17 Relés temporizados com a curva de temporização com retardo dependente e b independente Os padrões a serem atendidos pelos SEP podem ser listados tais como LEÃO 2009 Disponibilidade continuidade do serviço é a probabilidade de o sistema não estar com falha quando requisitado isto é de operar corretamente A disponibilidade é uma função da confiabilidade e da manutenabilidade Se um sistema tem alta disponibilidade não necessariamente terá uma alta confiabilidade Confiabilidade manutenção é a probabilidade de componentes partes e sistemas realizarem suas funções sem falhar A confiabilidade não reflete o tempo necessário para a unidade em reparo ser restaurada à operação normal Qualidade da energia conformidade é a condição de compatibilidade entre o sistema supridor de energia elétrica e carga atendendo ao critério de conformidade senoidal Segurança flexibilidade e sem risco aos consumidores é a habilidade do sistema de responder a distúrbios que possam ocorrer no sistema Os SEP em geral são capazes de operar mesmo quando ocorre uma contingência falta no sistema conforme Critério de Segurança N1 Custos são os investimentos necessários para se criar um sistema que atenda aos padrões de disponibilidade confiabilidade qualidade e segurança com o mínimo de impacto ambiental e o máximo de segurança pessoal Tempo Tempo Corrente Corrente B A U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 34 Exemplificando Sobre os critérios de segurança o Sistema Interligado Nacional SIN brasileiro por exemplo é dimensionado segundo o critério de segurança N1 ou seja capaz de permanecer operando sem interrupção do fornecimento de energia perda da estabilidade do sistema violação de padrões de grandezas elétricas frequência tensão harmônicos etc e sem atingir limites de sobrecarga de equipamentos e instalações mesmo com a indisponibilidade de um elemento contingência simples O critério N2 adotado na Usina de Itaipu por exemplo permite que o SIN continue sendo operado com a perda de até dois desses elementos Já no critério N3 mais severo perdendo três elementos ainda é possível continuar operando ONS 2017 Reflita Por que não é adotado no SIN o critério de segurança N3 Geração de energia elétrica Tensão 30 kV A geração de energia elétrica é o sistema responsável pela produção da energia elétrica formado por centrais elétricas que convertem alguma forma de energia em energia elétrica No caso de usinas hidrelétricas por exemplo esse processo ocorre em duas etapas sendo a 1ª transformar a energia potencial gravitacional em energia cinética em uma máquina primária e na 2ª um gerador elétrico é acoplado à máquina primária para transformar a energia cinética em energia elétrica Além da geração de energia hidráulica podemos citar também as provenientes de usinas a diesel as termelétricas as termonucleares as eólicas as fotovoltaicas as geotérmicas as maremotrizes e as células a combustível etc Além do conceito de geração de energia elétrica existe também a cogeração De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL a cogeração de energia é definida como o processo de produção combinada de calor e energia elétrica ou mecânica a partir de um mesmo combustível capaz de produzir benefícios sociais econômicos e ambientais Nesse processo a energia térmica é utilizada diretamente nos processos de manufatura tais como em fornos caldeiras etc sendo a cogeração a forma mais eficiente de gerar eletricidade e energia térmica MODESTO 2011 U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 35 A microgeração distribuída por sua vez é um conceito mais recente e associado à inserção de pequenos geradores próximos aos centros de consumo tais como painéis solares fotovoltaicos turbinas eólicas etc Esse tipo de geração é muito visado para atender a requisitos ambientais de redução de emissão de gases de efeito estufa Em geral tais tecnologias são não despacháveis o produtor de energia não tem o controle do montante de energia produzido com a produção de energia dependente das condições climáticas Assim a presença massiva desse tipo de geração impõe desafios à segurança da operação das redes pois é preciso equalizar o montante de energia gerado com o demandado para se manter a frequência e estabilidade do sistema e isso passa a ser um desafio Transmissão de energia elétrica 230 kV Tensão 765 kV A transmissão é responsável pelo transporte da energia elétrica dos centros de geração aos de consumo Esses sistemas são formados basicamente por torres estruturas metálicas que erguem os cabos a uma distância segura do solo isoladores geralmente feitos de cerâmica vidro ou polímeros para garantir rigidez dielétrica contra a fuga de corrente para as torres e suportar o peso dos cabos e subestações projetadas para elevar ou abaixar os níveis de tensão Na Figura 18 é representada uma subestação de transmissão e os elementos que a compõem Fonte adaptada de Abradee 2017 Figura 18 Representação de uma subestação de transmissão 1 Linhas de alimentação primária 2 Fio terra 3 Linhas aéreas trifásico 4 Transformador de potencial TP 5 Chave seccionadora 6 Disjuntor 7 Transformador de corrente TC 8 Pararaios 9 Transformador de potência principal 10 Prédio de controle 11 Cerca de segurança 12 Linhas de alimentação secundária Elementos de uma subestação de transmissão U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 36 O papel das subestações de transmissão é controlar o fluxo de potência no sistema condicionar os níveis de tensão e realizar a entrega de energia elétrica para consumidores industriais Sobre os componentes ilustrados na Figura 17 vale ressaltar que o transformador de potencial TP é um equipamento responsável pela medição dos níveis de tensão o transformador de corrente TC responsável pela medição do fluxo da corrente elétrica e o transformador de potência é aquele que efetivamente regula os níveis de tensão eleva ou abaixa O disjuntor é uma chave elétrica responsável pela desconexão do sistema e a chave seccionadora é uma chave mecânica destinada a isolar partes de circuitos elétricos Vale ressaltar que o disjuntor diferentemente do fusível que só opera uma vez e deve ser substituído pode ser utilizado inúmeras vezes até sofrer algum dano O fio terra em 2 é o cabo guarda responsável por proteger o sistema contra descargas atmosféricas e o para raios por fim é um dispositivo cuja impedância varia com o nível de tensão para escoar o excedente de corrente caso uma descarga atmosférica atinja uma ou mais fases do sistema e exceda os limites de suportabilidade definidos em projeto A topologia típica das redes de transmissão inclui a formação de redes malhadas ou reticuladas permitindo maiores níveis de disponibilidade e segurança principalmente nas que se têm redundância de medidas bastante informação com níveis altíssimos de automação Fluxos multidirecionais de energia são comuns na operação de sistemas de transmissão As redes de subtransmissão por sua vez usualmente têm as mesmas características das redes de transmissão e possuem o objetivo de transportar a energia elétrica a pequenas cidades ou importantes consumidores industriais O nível de tensão está entre 35 kV e 160 kV Assimile Redes malhadas ou reticuladas são aquelas comumente empregadas na transmissão cujas linhas formam anéis e assim existe mais de um caminho para o fluxo da energia Além das redes malhadas existem as redes radiais comumente empregadas na distribuição que são aquelas cujas linhas não formam nenhuma malha e assim existe somente um único caminho para o fluxo da energia da geração até o consumo U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 37 Distribuição de energia elétrica 127220 V Tensão 230 kV Responsável pelo recebimento da energia dos sistemas de transmissão ou subtransmissão e pela distribuição para os consumidores finais Esses sistemas são formados por basicamente postes isoladores e subestações Na Figura 19 é representada uma subestação de distribuição e os elementos que a compõem Fonte adaptada de Abradee 2017 Figura 19 Representação de uma subestação de distribuição O papel das subestações primárias de distribuição é receber a energia das linhas de transmissãosubtransmissão e condicioná la para o alimentador em média tensão 138 kV no Brasil E as subestações secundárias de distribuição no Brasil ou outros países que seguem o modelo norteamericano por exemplo são compostas apenas de transformadores abaixadores de 138 kV para 220127 V instalados nos postes e que alimentam unidades a dezenas de consumidores Em outros países principalmente na Europa todavia por exemplo na Inglaterra existem subestações secundárias que rebaixam a tensão de 11 kV para 400220 V e que alimentam de dezenas a centenas de consumidores 1 Linhas de transmissãosubtransmissão 2 Fio terra 3 Linhas aéreas trifásico 4 Transformador de potencial TP 5 Chave seccionadora 6 Disjuntor 7 Transformador de corrente TC 8 Pararaios 9 Transformador de potência principal 10 Prédio de controle 11 Cerca de segurança 12 Linhas de alimentação primária Elementos de uma subestação de transmissão Assimile No que se refere à proteção de SEP tradicionais os sistemas de transmissão possuem uma série de dispositivos de proteção para redes malhadas enquanto os sistemas de distribuição possuem esquemas de proteção mais simplificados e para redes radiais U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 38 Sem medo de errar Retomando a situaçãoproblema proposta no Diálogo aberto na qual o seu gestor solicitou um relatório técnico parcial que apontasse as transformações que os sistemas elétricos devem sofrer nas próximas décadas nesta seção foi solicitado que você esclarecesse os desafios que as empresas de geração transmissão e distribuição devem sofrer mediante a inserção em larga escala de microgeração distribuída Primeiramente as empresas de geração de energia poderão sofrer com a redução de faturamento ou mesmo com a extinção daquelas usinas mais antigas e que mais poluem o meio ambiente A presença da microgeração insere um novo agente produtor de energia elétrica no mercado de energia que tende a ser favorecido por políticas públicas de incentivo à geração limpa e renovável Portanto adotar medidas para a redução da emissão de gases de efeito estufa será um dos desafios primordiais para as grandes centrais elétricas No entanto as grandes centrais elétricas têm um papel fundamental para garantir a segurança da operação dos SEP pois esses sistemas possuem a capacidade de controlar o despacho da energia enquanto a microgeração distribuída tende a dificultar o equilíbrio entre geração e demanda Assim as empresas de geração de energia para continuarem competitivas no mercado considerando que terão que investir em tecnologias de redução de emissão de gases de efeito estufa que são caras ex em termelétricas existem tecnologias de captura e armazenamento de carbono Carbon Capture and Storage CCS deverão aumentar a eficiência do processo produtivo e solicitar uma reforma do setor elétrico para ponderar apropriadamente o papel de cada gerador quanto ao fornecimento de grandes montantes de energia e quanto à segurança da operação dos SEP No que se refere ao controle de SEP tradicionais os sistemas de transmissão possuem conjuntos de medidas e elementos de automação automatização suficientes para tornar o sistema observável e controlável enquanto nos sistemas de distribuição o conjunto de medidas é comumente visto somente nas subestações com poucos elementos de automaçãoautomatização tornando o sistema não observável e com controlabilidade limitada U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 39 As empresas de transmissão de energia elétrica por sua vez também dependerão de uma reforma no setor elétrico pois se houver uma adesão massiva de geração na distribuição tais sistemas poderão se tornar ociosos durante parte do dia durante as horas de insolação solar no caso de haver alta adesão de energia solar e altamente carregados durante o restante do dia Isso trará uma série de desafios para a operação desses sistemas e requisitará investimentos muito elevados principalmente para atender a uma demanda de pico que ocorrerá somente para curtos períodos de tempo ao longo dos dias Entretanto se o tipo de geração distribuída não for somente a solar a microgeração distribuída poderá contribuir para adiar investimentos em expansão nas redes de transmissão No que se refere aos esquemas de proteção e às linhas de transmissão em si estes foram dimensionados e ajustados considerando o fluxo unidirecional de potência de modo A presença de um fluxo reverso de potência em transformadores deverá exigir modificações nos ajustes dos elementos de proteção relés para esquemas mais complexos requisitando mais investimentos e inserção de novos elementos e de mais automação na rede As concessionárias de distribuição de energia elétrica por fim serão as mais afetadas Atualmente esses sistemas carecem de medição há informação de valores de tensões correntes e fluxos de potência somente nas subestações primárias automaçãoautomatização até os dias de hoje quando ocorre uma falha no sistema a concessionária é notificada somente se um usuário contatar a empresa por telefone Não se aplicam ainda tecnologias para identificação em tempo real de falhas no sistema elétrico em redes de distribuição Isto não é uma realidade brasileira apenas mas compartilhada com diversos países desenvolvidos ao redor do mundo No que se refere ao projeto das redes de distribuição essas foram dimensionadas há muitos anos com cabos na média tensão alimentadores primários 138 kV no Brasil com maior seção nominal espessura quanto mais perto da subestação primária e menor espessura quanto mais distante pois a energia vai sendo drenada pelas cargas ao longo do alimentador primário Com geração distribuída esse projeto pode não fazer mais sentido principalmente se muitos geradores forem inseridos próximos aos ramos finais desses alimentadores O fluxo de potência tenderá a ser revertido e as perdas elétricas tenderão a aumentar isso se não extrapolar a capacidade térmica de condução de corrente elétrica U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 40 desses cabos No que se refere à proteção das redes de distribuição os esquemas de proteção deverão ser significativamente modificados principalmente no que concerne aos critérios de seletividade e zonas de atuação Além disso relés direcionais agora deverão ser inseridos o que nos dias de hoje não é necessário considerando que os fluxos até então eram sempre unidirecionais O desafio portanto é compatibilizar custos de investimento em reforço da rede adição de maior número de condutores eou substituição dos condutores de menor seção nominal por outros com maior seção nominal em maiores níveis de automaçãoautomatização da rede inserção de avançadas tecnologias de informação e monitoramento e em tempo para implementação dessas novas tecnologias de forma que se garantam tanto a segurança da equipe técnica envolvida para execução desses projetos quanto do sistema como um todo Avançando na prática Formas de garantir a continuidade do serviço em SEP Descrição da situaçãoproblema Caro aluno imaginemos que você é o engenheiro eletricista responsável pelo planejamento da operação no ONS órgão responsável pela coordenação e controle da operação da geração e transmissão de energia elétrica no Sistema Interligado Nacional SIN e você foi encarregado de elaborar medidas de restauração do sistema diante das seguintes falhas apontadas na Figura 110 e assim garantir a continuidade do serviço de abastecimento de eletricidade para o máximo de consumidores possíveis Fonte elaborada pelo autor Figura 110 Sistema de transmissão de 16 barras com faltas em F1 F2 e F3 U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 41 Fonte elaborada pelo autor Figura 111 Reconfiguração topológica do sistema de transmissão de 16 barras Resolução da situaçãoproblema Para realizar essa tarefa você verificou primeiramente os consumidores que seriam desenergizados caso nenhuma atitude fosse tomada mediante a ocorrência de faltas curtocircuito em F1 F2 e F3 Para minimizar o impacto de uma possível falta em F1 portanto você estabeleceu que as chaves seccionadoras S1 e S2 devem ser abertas e S3 S6 devem ser fechadas Com essa ação de reconfiguração topológica nenhum consumidor será desenergizado Já as faltas em F2 e em F3 por sua vez ocorreram no secundário do transformador da subtransmissão e da distribuição respectivamente e afetam diretamente as cargas a eles conectados Assim S7 e S8 devem ser abertos desenergizando as cargas a eles conectados evitando que aquele defeito possa prejudicar o restante do sistema A Figura 111 ilustra a proposta de reconfiguração topológica que mitiga os efeitos dessas faltas Faça valer a pena 1 Os sistemas elétricos de potência SEP são sistemas compostos por geradores torres isoladores subestações postes etc e são responsáveis por gerar transmitir e distribuir energia elétrica para os clientes que são unidades consumidoras residenciais comerciais e industriais de pequeno médio e grande porte atendendo a determinados padrões Sobre os padrões que os SEP devem respeitar assinale a alternativa correta a A disponibilidade é um dos padrões que os SEP devem atender Se um sistema tem alta disponibilidade implica dizer que este terá uma alta confiabilidade U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 42 2 O é um equipamento responsável pela medição dos níveis de tensão o responsável pela medição do fluxo da corrente elétrica e o é aquele que efetivamente regula os níveis de tensão eleva ou abaixa OA é uma chave elétrica responsável pela desconexão do sistema e oa é uma chave mecânica destinada a isolar partes de circuitos elétricos Vale ressaltar que o disjuntor diferentemente do fusível que só opera uma vez e deve ser substituído pode ser utilizado inúmeras vezes até sofrer algum dano Com base no texto acima preencha as lacunas corretamente a Transformador de potência transformador de corrente transformador de potencial relé chave seccionadora b Transformador de potencial transformador de corrente transformador de potência disjuntor chave seccionadora c Relé fusível transformador de potencial chave seccionadora disjuntor d Fusível transdutor de corrente transformador de potência relé disjuntor e Transformador de tensão transformador de corrente transformador de potência disjuntor relé 3 A geração de energia elétrica é o sistema responsável pela produção da energia elétrica sendo este formado por centrais elétricas que convertem alguma forma de energia em energia elétrica A transmissão transporta a energia em longas distâncias e a distribuição recebe a energia da transmissão e a distribui de forma a alimentar os consumidores finais com segurança Entre esses elementos há as subestações de transmissão que controlam o fluxo de potência no sistema condicionam os níveis de tensão e realizam a entrega de energia elétrica para consumidores industriais e as subestações primárias de distribuição que recebem a energia das linhas b A confiabilidade é um dos padrões que os SEP devem atender A confiabilidade reflete o tempo necessário para a unidade em reparo ser restaurada à operação normal c A qualidade da energia é um dos padrões que os SEP devem atender Não compatibilizar os níveis de tensão de acordo com uma forma de onda senoidal com amplitude nominal danificará o SEP como um todo d A segurança é um dos padrões que os SEP devem atender Os SEP de acordo com critérios de segurança são capazes de operar mesmo quando há uma contingência falta no sistema sem desenergizar nenhum consumidor e Os custos são um dos requisitos que devem permanecer com menores valores possíveis e os padrões de disponibilidade confiabilidade qualidade e segurança devem ser atendidos exceto os impactos ambientais para os quais não existe regulamentação U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 43 de transmissãosubtransmissão e a condicionam para o alimentador em média tensão da distribuição Sobre a estrutura e as características dos SEP assinale a alternativa correta a A geração de energia elétrica ocorre em níveis de tensão superiores a 30 kV b A transmissão de energia elétrica ocorre em níveis de tensão inferiores a 765 kV e superiores a 230 kV c A distribuição de energia elétrica ocorre em níveis de tensão até 69 kV d A subtransmissão está compreendida nos níveis de tensão entre 1 kV e 345 kV e As subestações de transmissão e de distribuição de energia são idênticas U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 44 Seção 13 Características do sistema elétrico brasileiro Caro aluno nesta seção iremos estudar as principais características do sistema elétrico brasileiro apresentando a estrutura organizacional do setor elétrico no país criada pelo governo federal Em seguida veremos um panorama da geração de energia no país os impactos em emissões de carbono por cada fonte de energia e algumas soluções energéticas para viabilizar um desenvolvimento sustentável No que concerne à transmissão de energia elétrica no país o Sistema Interligado Nacional SIN é apresentado abordando as vantagens e desvantagens da interligação entre as diferentes regiões do Brasil por meio das linhas de transmissão Por fim aspectos das redes de distribuição nacionais são evidenciados Na seção anterior você foi capaz de compreender que tanto as empresas de geração quanto as transmissoras e distribuidoras poderão sofrer profundas transformações com a inserção em larga escala de geração distribuída Sendo assim retomando o contexto de aprendizagem em que você é um engenheiro do Ministério de Minas e Energia MME esta seção será capaz de facilitar a compreensão sobre as principais características dos SEPs no Brasil e como a geração distribuída poderá impactar a atual infraestrutura elétrica Assim a respeito da atual conjuntura e do que se espera para o futuro dos sistemas elétricos de potência no Brasil comparando suas considerações com o que já foi abordado na Seção 1 desta unidade como você visualiza as transformações que os sistemas elétricos devem sofrer nas próximas décadas Serão transformações em termos de intensidade semelhante a dos países desenvolvidos Na elaboração do seu relatório técnico destaque que tipos de políticas energéticas o Brasil deve apoiar para realizar um desenvolvimento sustentável a custos acessíveis e atendendo à crescente demanda por energia elétrica Após esse estudo você estará pronto para construir e finalizar o relatório técnico encomendado pelo seu gestor Caro engenheiro do MME você está preparado para cumprir mais essa tarefa Bons estudos e um ótimo trabalho Diálogo aberto U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 45 O histórico do surgimento do sistema elétrico brasileiro se deu desde o final do século XIX Ao longo dos anos profundas transformações ocorreram dentre elas a mudança de gestão da iniciativa privada para o poder público principalmente das distribuidoras e das transmissoras E em 1995 um sistema verticalizado foi substituído por um desverticalizado ou seja no qual as atividades de geração transmissão e distribuição passaram a ser segregadas Tal desverticalização foi importante para evitar que os lucros de uma das atividades de geração transmissão e distribuição subsidiassem qualquer uma das demais Além disso efetivou e estimulou a competição do setor elétrico nos segmentos nos quais a competição é possível geração e comercialização bem como aprimorou o sistema de regulação dos segmentos nos quais há monopólio de rede transmissão e distribuição CEMIG 2017 Quanto à gestão do setor como esta é realizada em parte pelo poder privado e em parte pelo público o principal desafio é coordenar as partes para se garantir disponibilidade de energia elétrica em um país com grandes dimensões como o Brasil Em 11 de novembro de 2003 para atender a essa necessidade o governo brasileiro lançou o programa Luz para Todos Este visava subsidiar a construção de infraestrutura elétrica para localidades em que tal investimento não seria viável economicamente a fim de que se eliminassem as barreiras de exclusão elétrica GEDRA BARROS BORELLI 2014 Quanto ao planejamento e à operação de sistemas elétricos de potência SEPs no país são centralizados e as atividades de transmissão e distribuição reguladas pelo regime de incentivos em vez do custo do serviço As tarifas de uso da transmissão Tust e da distribuição Tusd são as formas que as respectivas companhias possuem para serem remuneradas no Brasil Na atividade de geração para empreendimentos novos há concorrência em substituição à concessão outrora adotada no passado Quanto aos consumidores há coexistência de consumidores cativos leilões para contratação de energia pelas distribuidoras e livres livres negociações entre geradores comercializadores e consumidores livres Quanto aos preços da energia elétrica commodity são separados daqueles estimados para o seu transporte uso dos cabeamentos sendo distintos também para cada área de concessão No passado havia equalização tarifária ABRADEE 2017 Não pode faltar U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 46 Atualmente o sistema elétrico brasileiro apresenta elevado nível de ramificação e interligação GEDRA BARROS BORELLI 2014 Apenas em partes de alguns estados há sistemas isolados O governo federal nesse contexto criou a estrutura organizacional do setor elétrico brasileiro conforme apresentado na Figura 112 e definido no Quadro 12 Fonte adaptada de ABRADEE 2017 Figura 112 Estrutura organizacional do setor elétrico brasileiro Quadro 12 Definições dos principais agentes do setor elétrico Agente Defi nição Conselho Nacional de Política Energética CNPE Órgão de assessoramento do Presidente da República para formulação de políticas nacionais e diretrizes de energia visando dentre outros ao aproveitamento natural dos recursos energéticos do país à revisão periódica da matriz energética e à defi nição de diretrizes para programas específi cos Ministério de Minas e Energia MME Encarregado de formulação do planejamento e da implementação de ações do Governo Federal no âmbito da política energética nacional O MME detém o poder concedente Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico CMSE Constituído no âmbito do MME e sob sua coordenação direta com a função precípua de acompanhar e avaliar permanentemente a continuidade e a segurança do suprimento eletroenergético em todo o território U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 47 Fonte Leão 2009 p 1115 Empresa de Pesquisa Energética EPE Empresa pública federal vinculada ao MME que tem por finalidade prestar serviços na área de estudos e pesquisas destinados a subsidiar o planejamento do setor energético Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL Autarquia vinculada ao MME com finalidade de regular a fiscalização a produção a transmissão a distribuição e a comercialização de energia em conformidade com as políticas e diretrizes do Governo Federal A ANEEL detém os poderes regulador e fiscalizador Operador Nacional do Sistema Elétrico ONS Pessoa jurídica de direito privado sem fins lucrativos sob regulação e fiscalização da ANEEL que tem por objetivo executar as atividades de coordenação e controle da operação de geração e transmissão no âmbito do SIN Sistema Interligado Nacional O ONS é responsável pela operação física do sistema e pelo despacho energético centralizado Câmara de Comercialização de Energia Elétrica CCEE Pessoa jurídica de direito privado sem fins lucrativos sob regulação e fiscalização da ANEEL com a finalidade de viabilizar a comercialização de energia elétrica no Sistema Interligado Nacional SIN Administra os contratos de compra e venda de energia elétrica sua contabilização e liquidação A CCEE é responsável pela operação comercial do sistema Eletrobrás A Eletrobrás controla grande parte dos sistemas de geração e transmissão de energia elétrica do Brasil A empresa possui ainda 50 da Itaipu e também controla o Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Cepel A Eletrobrás dá suporte a programas como o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica Proinfa o Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica Luz para Todos e o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica Procel Agentes Setoriais Associação Brasileira das Empresas Geradoras de Energia Elétrica ABRAGE Associação Brasileira de Grandes Empresas de Transmissão de Energia Elétrica ABRATE Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica ABRADEE Associação Brasileira das Empresas de Energia Renovável ABEER Associação Brasileira dos Agentes Comercializadores de Energia Elétrica ABRACEEL Associação Brasileira de Grandes Consumidores Industriais de Energia e de Consumidores Livres ABRACEE Associação Brasileira dos Produtores Independentes de Energia Elétrica APINE U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 48 Assimile O CNPE MME e CMSE exercem as atividades diretamente ligadas ao governo A ANEEL realiza as atividades regulatórias e de fiscalização A EPE o ONS e a CCEE por fim atuam no planejamento na operação e na contabilização sendo essas atividades exercidas por empresas públicas ou de direito privado sem fins lucrativos ABRADEE 2017 Geração de energia elétrica no Brasil A matriz energética brasileira para produção de eletricidade é predominantemente hidroelétrica 64 acompanhada por gás natural 129 biomassa 8 derivados do petróleo 48 e carvão e derivados 45 Em seguida destacase também a energia eólica 35 que é uma fonte de energia renovável e limpa com crescimento bastante acelerado nos últimos anos Tal crescimento já supera a produção de eletricidade por meio das energias nuclear 24 e solar 001 Na Figura 113 temse portanto a ilustração desse panorama de oferta de energia elétrica no ano base de 2015 Fonte adaptada de EPE 2017 p 16 Fonte Gedra Barros e Borelli 2014 p 18 Figura 113 Oferta de energia elétrica por fonte no ano base de 2015 Figura 114 Emissões anuais de CO2 para cada GW de eletricidade gerado por tipo de fonte No que se refere aos níveis de poluição a Figura 114 ilustra os níveis de emissão de CO2 por tipo de fonte U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 49 Fonte Gedra Barros e Borelli 2014 p 18 As fontes mais poluentes tais como carvão petróleo e madeira têm participação reduzida na matriz energética brasileira como pode ser visto na Figura 112 Logo é possível afirmar que o Brasil por ser predominantemente hidroelétrico baixa emissão de CO2 é um país pouco poluente comparado a outros países ao redor do mundo GEDRA BARROS BORELLI 2014 No que se refere ao planejamento da geração no país muitas vezes a ausência de um adequado planejamento da expansão do sistema elétrico para atender à crescente demanda por energia já prejudicou os consumidores com cortes e racionamento de energia GEDRA BARROS BORELLI 2014 Nesse sentido há uma preocupação crescente com o planejamento da geração no cenário atual de inclusão de microgeração distribuída Mais recentemente com a inclusão da microgeração distribuída em SEPs painéis solares fotovoltaicos usinas eólicas etc a filosofia de proteção e controle operação de SEPs tem se modificado No mundo tal crescimento se deu principalmente devido a uma política de incentivos chamada de Feedin tariff FIT cujo objetivo é estimular o uso de energias limpas e renováveis em substituição aos combustíveis fósseis Nesse cenário algumas soluções energéticas para um desenvolvimento sustentável vêm sendo implementadas conforme mostrado no Quadro 13 Quadro 13 Definições dos principais agentes do setor elétrico Problema Solução Utilização de combustíveis fósseis tais como carvão óleo e gás Redução da utilização de combustíveis fósseis acompanhada por um maior uso de tecnologias e combustíveis renováveis Eficiência energética limitada desde a produção até o consumo O aumento da eficiência deve permitir suprir a crescente demanda energética mundial principalmente em países desenvolvidos pois reduzindose o desperdício reduzse também a necessidade de mais geração e mais poluição Políticas energéticas que não incentivam fontes renováveis e limpas Redefinição das políticas energéticas a fim de incentivar o uso de tecnologias de baixa emissão de gases de efeito estufa cobrando os custos ambientais de alternativas não sustentáveis U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 50 No Brasil essa inclusão ainda é relativamente incipiente embora haja grande potencial pois a energia eólica compreende somente 35 da produção total de energia e a solar 001 conforme Figura 113 Assim a pressão para uma adoção mais massiva da microgeração é importante mas ainda é menor que no resto do mundo considerando que o Brasil é um país pouco poluente FALCÃO 2017 Transmissão de energia elétrica no Brasil No Brasil as linhas de transmissão são tipicamente extensas pois os grandes centros produtores de energia elétrica em geral hidrelétricas estão situados a grandes distâncias dos centros consumidores de energia elétrica Atualmente o Brasil está quase que totalmente interligado Sendo os sistemas isolados somente presentes nos estados do Acre Amazonas Pará Rondônia Roraima Amapá e Mato Grosso bem como na ilha de Fernando de Noronha ELETROBRAS 2017 Esse sistema de transmissão nacional que interliga o país numa única malha de linhas é denominado Sistema Interligado Nacional SIN A Figura 115 ilustra o Sistema Interligado Nacional SIN Fonte ONS 2017 Figura 115 Sistema Interligado Nacional SIN U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 51 Em 1999 o Brasil ainda era um país com uma quantidade significativa de sistemas elétricos desconectados do SIN isolados o que dificultava uma operação eficiente das bacias hidrográficas espalhadas ao redor do país há 16 grandes bacias utilizadas para produção de eletricidade espalhadas pelo território nacional ONS 2017b Sendo assim com o intuito de ampliar a confiabilidade otimizar os recursos energéticos e homogeneizar os mercados o SIN foi criado sendo este responsável pelo transporte da energia em mais de 99 da demanda nacional ELETROBRAS 2017 As áreas que ainda não estão conectadas ao SIN como é o caso de Boa Vista RR têm seu abastecimento feito tipicamente por pequenas usinas termelétricas ou hidrelétricas locais LEÃO 2009 Assimile O SIN é vantajoso para um país como o Brasil porque propicia a transferência de energia entre os subsistemas das diferentes regiões do país respeitando a sazonalidade das bacias hidrológicas que compõem a maior parte da capacidade instalada de geração de energia no país Em outras palavras como o regime de chuvas é diferente nas regiões Sul Sudeste Norte e Nordeste as grandes linhas de transmissão da mais alta tensão 500 kV ou 750 kV possibilitam que haja intercâmbio de energia de pontos com produção insuficiente para pontos com produção favorável LEÃO 2009 Essa integração dos recursos de geração e transmissão portanto permite o atendimento do mercado com mais segurança e economia ONS 2017b No SIN algumas características podem ser observadas o sistema nortecentrooeste é o primeiro circuito de interligação conhecido por Linhão NorteSul construído em 500 kV com 1277 km de extensão o sistema interligado sudestecentrooeste concentra pelo menos 60 da demanda de energia elétrica do país o sistema sulsudeste contempla 2 circuitos CC em 600 kV partindo da usina de Itaipu até São Roque SP e possui 3 linhas de transmissão de 765 kV até Mogi das Cruzes SP subestação de Tijuco Preto o sistema nordeste importa energia das hidrelétricas de Lajeado TO Cana Brava GO e Tucuruí I e II PA LEÃO 2009 As vantagens do SIN são Aumento de estabilidade o sistema pode absorver grandes variações de potência gerada ou demandada e não perder o U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 52 sincronismo Em outras palavras os efeitos na entradasaída de grandes blocos de carga ou de grandes geradores afetam o funcionamento correto do sistema elétrico para manter a frequência em 60 Hz e os níveis de tensão próximos dos valores nominais Um sistema malhado portanto incrementa a robustez do mesmo Aumento de confiabilidade o sistema permite a continuidade do serviço mesmo quando há uma ou mais falhas ou paradas por manutenção de equipamentos e linhas considerando que pode haver caminhos alternativos para o fluxo da energia Aumento de disponibilidade o sistema interligado permite que haja um aumento da disponibilidade de energia dos parques geradores se comparados ao caso de parques operando em pequenas malhas elétricas também chamados de ilhas Aumento de economia como a produção máxima de energia pelas grandes usinas e a demanda máxima dos subsistemas no SIN tipicamente ocorrem em horários distintos o intercâmbio de energia entre as diferentes áreas viabiliza uma importação de energia a baixos custos de fontes com alta disponibilidade em áreas com baixa demanda Exemplificando No Brasil é muito comum a usina hidroelétrica de Tucuruí na região Norte do país por exemplo exportar boa parte da sua energia elétrica para as regiões SulSudeste onde há maior demanda a custos muito mais acessíveis sendo necessário utilizar usinas termelétricas para atender tal demanda em caso de inexistência do SIN As desvantagens do SIN são O custo inicial de investimento em infraestrutura é superior em comparação com sistemas isolados Todavia esses custos são justificados no que se refere ao aumento da eficiência operacional Um distúrbio em um subsistema pode afetar os demais subsistemas do SIN se esquemas de proteção falharem com o seu propósito Os esquemas de operação de redes interligadas e de proteção tornamse mais complexos e interdependentes U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 53 Reflita Quais seriam as vantagens dos sistemas isolados sobre os sistemas interligados Que regiões do Brasil favorecem a criação de sistemas isolados Justifique sua resposta Distribuição de energia elétrica no Brasil A distribuição de energia elétrica no Brasil é a atividade mais regulada e fiscalizada do setor elétrico além de prestar serviço público com o órgão regulador ANEEL No Brasil há mais de 77 milhões de unidades consumidoras sendo 85 delas residenciais Nesse sentido para atender aos requisitos de disponibilidade e confiabilidade a ANEEL elaborou um conjunto de Procedimentos de Distribuição denominado de Prodist que dispõe disciplinas condições responsabilidades e penalidades relativas à conexão ao planejamento à operação e à medição de grandezas elétricas Além disso são estabelecidos também critérios e indicadores de qualidade da energia elétrica e eficiência energética tanto para os produtores de energia elétrica quanto para os consumidores ABRADEE 2017 Pesquise mais Os Procedimentos de Distribuição Prodist são documentos elaborados pela ANEEL para normatizar e padronizar as atividades técnicas relacionadas ao funcionamento e ao desempenho dos sistemas de distribuição de energia elétrica Eles são divididos em 10 módulos Para conhecer mais a ANEEL disponibiliza os documentos em httpwww aneelgovbrprodist Acesso em 10 jun 2017 As redes de distribuição brasileiras e mundiais quanto à operação são tipicamente radiais e passivas isto é não possuem muitos mecanismos de automação e automatização Por isso com a adoção de microgeração tornase um desafio gerenciar os fluxos multidirecionais de energia Em abril de 2012 a ANEEL criou o Sistema de Compensação de Energia Elétrica no qual o consumidor brasileiro pode gerar sua própria energia elétrica a partir de fontes renováveis ou a partir da cogeração qualificada e inclusive fornecer o excedente para a rede de distribuição ANEEL 2017 Logo desde então as redes elétricas nacionais já estão regulamentadas para adotar a microgeração distribuída U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 54 Retomando a situaçãoproblema proposta no Diálogo aberto na qual o seu gestor solicitou um relatório que defina as transformações que os sistemas elétricos brasileiros devem sofrer nas próximas décadas e se tais transformações devem acompanhar as que os países desenvolvidos estão sofrendo ao longo dos últimos anos No seu relatório técnico você contemplará a conjuntura que permeia esses aspectos e responderá que tipos de políticas energéticas o Brasil deve apoiar para realizar um desenvolvimento sustentável e atender à crescente demanda por energia elétrica Primeiramente em países desenvolvidos e em alguns países em desenvolvimento localizados principalmente na América do Norte Europa e Àsia a instalação de micro e minigeração distribuída em geral baseadas em fontes renováveis tem crescido consideravelmente na última década O principal motivo desse crescimento tem sido as políticas de incentivo Feedin Tariff à utilização de fontes de energia renováveis para substituir a utilização de combustíveis fósseis e assim reduzir as emissões de gases de efeito estufa No Brasil a matriz energética para produção de eletricidade é predominantemente hidroelétrica logo a pressão para uma maior utilização de geradores com fontes renováveis é menor Todavia levando em consideração que as restrições ambientais estão cada vez maiores e que grandes usinas hidrelétricas requerem grandes investimentos a geração distribuída no Brasil passa a ser uma alternativa viável principalmente considerando o alto potencial do país no aproveitamento de irradiação solar e vento A geração distribuída conectada às redes de distribuição por sua vez adiciona um desafio para a operação das redes de média e de baixa tensão Tais redes não foram projetadas para admitir geração de eletricidade próxima às cargas Por esse motivo questões técnicas e econômicas devem ser tratadas adequadamente Tecnicamente vários desafios surgem no controle dos níveis de tensão no monitoramento da congestão das linhas níveis de corrente nos ajustes dos elementos de proteção na possibilidade de uma operação ilhada etc Do ponto de vista econômico a mini e a microgeração distribuída podem afetar o faturamento das empresas de distribuição Sobre os desafios técnicos vale ressaltar que as tecnologias de Sem medo de errar U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 55 mini e microgeração distribuída são principalmente baseadas em fontes intermitentes de energia como a eólica e a solar fotovoltaica Tal intermitência produz maiores dificuldades para a operação das redes de distribuição em especial no que se refere ao controle de tensão Nas redes de distribuição convencionais radiais o fluxo de potência tipicamente ocorre da subestação para as cargas havendo queda de tensão ao longo dos alimentadores A tensão nos pontos terminais desses alimentadores é mantida dentro dos limites previstos pelo controle de transformadores em subestações principalmente e eventualmente por reguladores de tensão ao longo dos alimentadores ou por bancos de capacitores A lógica de operação desses elementos de controle de tensão é simples e segue o perfil de demanda FALCÃO 2017 A presença de fontes intermitentes e em larga escala nas redes elétricas brasileiras alterariam significativamente a lógica de controle de tensão das redes de distribuição Isto significa que em momentos de alta produção de energia a direção do fluxo de potência na rede poderia se tornar reversa causando elevação de tensão nos pontos em que está sendo injetada na rede Por isso da forma como as redes elétricas brasileiras estão estruturadas nos dias de hoje estas ainda não estão preparadas para uma adoção em larga escala de microgeração distribuída Ademais problema semelhante ao do controle de tensão ocorre com o ajuste das proteções utilizadas nas redes de média e baixa tensão FALCÃO 2017 Considerando todos os aspectos supracitados as redes elétricas brasileiras não devem passar por transformações tão rápidas como as que vêm ocorrendo em países desenvolvidos e em alguns em desenvolvimento Contudo é necessário viabilizar uma adequação do sistema elétrico brasileiro para uma realidade que comporte uma presença significativa de mini e microgeração distribuída Dessa forma isso deve ser uma das grandes transformações que os sistemas elétricos brasileiros devem sofrer nas próximas décadas Embora ainda haja uma gama de desafios técnicos e econômicos a serem superados a mini e microgeração trazem grandes vantagens significativas no que se refere à redução de perdas à redução de investimentos em grandes projetos de geração ao surgimento de novos negócios com uma participação dos consumidores no atendimento à demanda etc U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 56 Por fim você engenheiro do MME conclui seu relatório evidenciando possíveis políticas energéticas que o Brasil deve apoiar para realizar um desenvolvimento sustentável e atender à crescente demanda por energia elétrica tais como Estímulo à utilização de energias renováveis em substituição às baseadas em combustíveis fósseis Criação de subsídios tal como as Feedin Tariff para estimular investimentos nesses tipos de fontes de energia Criação de mecanismos de tarifação associados ao montante de CO2 liberado por empreendimentos de geração de energia elétrica Regulamentação que estimule o aumento da eficiência energética e reduza o desperdício energético Caro engenheiro o que mais você escreveria no seu relatório Quais outros aspectos você considera relevante Agora você tem todos os elementos necessários para finalizar o relatório técnico encomendado pelo seu gestor Esperamos que você tenha aprendido bastante nesta unidade Mãos à obra e bom trabalho Avançando na prática Sistema interligado e critério de segurança N2 Descrição da situaçãoproblema Caro aluno imaginemos que você trabalha no setor de planejamento da operação no Operador Nacional do Sistema ONS órgão responsável pela coordenação e controle da operação da geração e transmissão de energia elétrica no Sistema Interligado Nacional SIN Você foi encarregado de identificar zonas críticas no sistema da Figura 115 caso haja contingência em linhas até o critério de segurança N2 Assim elabore uma lista apontando quais linhas necessitam de atenção especial na manutenção para garantir que nenhuma barra de carga do sistema fique desenergizada ou isolada Vale ressaltar que nesta rede há compensadores síncronos que são máquinas rotativas motores síncronos cujo eixo não está conectado a nenhuma carga Sua utilidade é para a compensação de reativos nos SEPs podendo tanto gerar quanto absorver potência reativa para ajustar a tensão e melhorar o fator de potência do sistema U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 57 Fonte adaptada de Longatt 2017 Figura 116 Sistema IEEE 14 barras representa uma porção de um sistema norte americano Resolução da situaçãoproblema Para realizar essa tarefa você verificou que o sistema é bastante malhado havendo interligação entre diferentes áreas Logo fazendo uma análise mais aprofundada você se baseou no critério de N1 linhas e identificou que mesmo na ausência de uma linha qualquer do sistema elétrico em análise todas as barras do sistema ainda podem se manter energizadas e os sistemas conexos entre si note que a barra 8 não é uma barra de carga pois há somente um compensador síncrono Baseandose no critério de segurança N2 todavia você consegue identificar as seguintes zonas críticas Barra 1 caso haja a saída das linhas L1 5 e L1 2 Barra 3 caso haja a saída das linhas L2 3 e L3 4 Barra 10 caso haja a saída das linhas L9 10 e L10 11 Barra 11 caso haja a saída das linhas L6 11 e L10 11 Barra 12 caso haja a saída das linhas L12 13 e L6 12 Barra 14 caso haja a saída das linhas L13 14 e L9 14 Com a identificação das barras críticas da lista acima concluise sua tarefa Bom trabalho U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 58 Faça valer a pena 1 Primeiramente em países desenvolvidos e em alguns países em desenvolvimento localizados principalmente na América do Norte Europa e Àsia a instalação de micro e minigeração distribuída em geral baseadas em fontes renováveis têm crescido consideravelmente na última década No Brasil por sua vez a matriz energética para produção de eletricidade é predominantemente hidroelétrica logo a pressão para uma maior utilização de geradores com fontes renováveis é menor Nesse cenário assinale a alternativa que corretamente justifica um crescimento acelerado na adoção de microgeração distribuída ao redor do mundo e não ainda no Brasil a A maior busca por aumento de eficiência energética e redução de desperdício b Maior comprometimento com o meio ambiente c Aspectos técnicos referentes à redução de perdas elétricas d Políticas de incentivo e subsídios e Maior potencial de captação de recursos renováveis como irradiação solar e velocidade do vento 2 No que se refere ao planejamento da geração no país muitas vezes a ausência de um adequado planejamento da expansão do sistema elétrico para atender à crescente demanda por energia já prejudicou os consumidores com cortes e racionamento de energia Nesse sentido para evitar maiores danos há uma crescente preocupação com o planejamento da geração no cenário atual de inclusão de microgeração distribuída A respeito da inclusão de microgeração distribuída e seus impactos em redes de distribuição assinale a alternativa que corretamente aponta uma preocupação a ser adequadamente tratada a Há um maior desafio em se garantir a estabilidade do sistema elétrico de potência b Há uma redução dos fluxos de correntes nos cabos c Há uma redução nos níveis de tensão nos nós em que os microgeradores estão instalados e Há uma maior lucratividade para as concessionárias de distribuição que passam a gerenciar maiores montantes de energia 3 No Brasil as linhas de transmissão são tipicamente extensas pois os grandes centros produtores de energia elétrica em geral hidrelétricas estão situados a grandes distâncias dos centros consumidores de energia elétrica Nesse cenário o Brasil optou por interligar o país numa única malha de linhas de transmissão o Sistema Interligado Nacional SIN de modo que os fluxos de potência entre as diferentes áreas fluam por U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 59 grandes distâncias de acordo com a relação de oferta e demanda entre as diferentes regiões Fazendo uma comparação com um cenário hipotético em que o Brasil ainda fosse predominantemente estruturado em um número de grandes sistemas isolados o SIN atual promoveria aumento de I Confiabilidade II Gastos a longo prazo III Complexidade na operação IV Receitas a curto prazo Com base nas afirmativas acima assinale a alternativa correta a Somente as afirmativas I II e IV estão corretas b Somente as afirmativas I e III estão corretas c As afirmativas I II III e IV estão corretas d Somente as afirmativas I e IV e Somente as afirmativas I III e IV U1 Fundamentos de sistemas elétricos de potência 60 Referências ABRACEEL Associação Brasileira de Comercializadores de Energia Diferenças entre consumidores livres e cativos Disponível em httpwwwabraceelcombrzpublisher secoesmercadolivreaspmid19150 Acesso em 10 jun 2017a Associação Brasileira de Comercializadores de Energia Quem pode ser consumidor livre Disponível em httpwwwabraceelcombrzpublishersecoes consumidorlivreasp Acesso em 10 jun 2017b ABRADEE Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica Visão Geral do Setor Disponível em httpwwwabradeecombrsetoreletricovisaogeraldosetor Acesso em 11 jun 2017 A distribuição de energia Disponível em httpwwwabradeeorgbrsetorde distribuicaoadistribuicaodeenergia Acesso em 11 jun 2017 ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica Micro e minigeração distribuída sistema de compensação de energia elétrica 2 ed Brasília 2016 Disponível em httpsgoo gl6YpwTL Acesso em 11 jun 2017 BALAMURUGAN K SRINIVASAN D REINDL T Impact of Distributed Generation on Power Distribution Systems 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aplicadas 2011 ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico CMSE aprova novo critério de operação para o SIN Disponível em httpwwwonsorgbrnewslettersinformativos abr201010materia03html Acesso em 11 jun 2017 ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico Mapas do SIN Disponível em http wwwonsorgbrconhecasistemamapassinaspx Acesso em 11 jun 2017a Operador Nacional do Sistema Elétrico O que é o SIN Sistema Interligado Nacional Disponível em httpwwwonsorgbrconhecasistemaoqueesinaspx Acesso em 11 jun 2017b PINTO M O Energia Elétrica Geração Transmissão e Sistemas Interligados LTC 112013 STEVENSON W Elementos de análise de sistemas de potência 2 ed São Paulo McGrawHill 1986 WIKIPEDIA Alessandro Volta Disponível em httpsptwikipediaorgwikiAlessandro Volta Acesso em 10 jun 2017 André Marie Ampère Disponível em httpsptwikipediaorgwiki AndrC3A9MarieAmpC3A8re Acesso em 11 jun 2017 Georg Simon Ohm Disponível em httpsptwikipediaorgwikiGeorg SimonOhm Acesso em 11 jun 2017 George Westinghouse Disponível em httpsptwikipediaorgwikiGeorge Westinghouse Acesso em 11 jun 2017 Gustav Robert Kirchhoff Disponível em httpsptwikipediaorgwikiGustav Kirchhoff Acesso em 11 jun 2017 James Watt Disponível em httpsptwikipediaorgwikiJamesWatt Acesso em 11 jun 2017 Joseph Henry Disponível em httpsptwikipediaorgwikiJosephHenry Acesso em 11 jun 2017 Michael Faraday Disponível em httpsptwikipediaorgwikiMichael Faraday Acesso em 11 jun 2017 Nikolas Tesla Disponível em httpsptwikipediaorgwikiNikolaTesla Acesso em 11 jun 2017 Thomas Alva Edison Disponível em httpsptwikipediaorgwikiThomas Edison Acesso em 11 jun 2017 Unidade 2 Geração de energia elétrica Convite ao estudo Caro aluno na unidade anterior estudamos os fundamentos dos sistemas elétricos de potência que englobam a geração a transmissão e a distribuição de energia Nesta segunda unidade portanto aprofundaremos nosso estudo no tema da geração de energia elétrica contemplando desde as formas de geração existentes até a realidade da matriz energética brasileira As formas hidráulica e termelétrica serão mais exploradas nesta unidade uma vez que são as fontes de energia mais importantes no Brasil Na primeira seção desta unidade portanto abordaremos os conceitos de geração e cogeração para posteriormente apresentarmos as formas de geração de energia elétrica Esse conhecimento é importantíssimo nos dias atuais para engenheiros que atuarão na área pois facilitará o desenvolvimento de um senso crítico de compreensão das razões pelas quais o Brasil e o mundo optam por determinadas fontes de energia para compor sua matriz energética considerando todas as implicações econômicas e ambientais Nesse cenário a geração distribuída tem papel de destaque Na segunda seção por sua vez as centrais hidrelétricas serão o foco de estudo Destacaremos os principais componentes de uma usina hidrelétrica ressaltando com mais detalhes os principais tipos de centrais hidrelétricas a existência das pequenas centrais hidrelétricas também conhecidas como PCHs e os impactos ambientais causados por esses empreendimentos Na terceira seção por fim destacaremos as usinas termelétricas apresentando mais detalhes a respeito dos componentes dessas usinas a partir do ressalte dos tipos de combustíveis tipicamente utilizados das configurações de usinas existentes dos impactos ambientais e das emissões de gases de efeito estufa decorrentes desses tipos de empreendimentos Nesse contexto portanto vamos fazer um exercício de mercado de trabalho Suponha que você aluno é um gestor técnico experiente da Empresa de Pesquisa Energética EPE órgão responsável por prestar serviços na área de estudos e pesquisas destinadas a subsidiar o planejamento do setor energético Você será o gestor de uma equipe responsável por fornecer relatórios sobre a expansão da oferta de energia no Brasil com base no aumento da demanda Em um primeiro momento portanto e assumindo que você conhece bastante a estrutura das políticas públicas para o setor energético no Brasil sua tarefa será a de realizar uma análise comparativa entre os diferentes tipos de formas de geração de energia elétrica e apontar as potencialidades regionais as possibilidades de diversificação da matriz energética e a inserção de fontes renováveis nessa matriz considerando o cenário mundial de maior preocupação com o meio ambiente Em seguida levando em conta que o Brasil é um país predominantemente hidráulico você deverá analisar qual é o papel das hidrelétricas no presente e consequentemente indicar a sua importância no futuro do país Por fim e seguindo a mesma lógica sabendo que as centrais termelétricas também têm um papel fundamental na composição da matriz energética nacional você deverá indicar o papel das centrais na conjuntura atual e futura do país como parte final de sua análise e da conclusão de seu relatório Boa jornada de estudos e bom trabalho U2 Geração de energia elétrica 65 Seção 21 Introdução à geração da energia elétrica Caro aluno como nesta seção apresentaremos os aspectos introdutórios sobre a geração de energia elétrica você será capacitado a conhecer e compreender os fundamentos básicos desses sistemas no contexto dos sistemas elétricos de potência SEPs além de ser introduzido nas tendências para o futuro do setor É bastante recomendável que você se dedique ao estudo do que será apresentado e discutido nesta seção pois abordaremos assuntos extremamente relevantes nesse cenário mundial em que se fala de desenvolvimento sustentável considerando que os aspectos aqui tratados são de fundamental importância para a compreensão desses sistemas Retomando o cenário em que você é um engenheiro do EPE bastante capacitado e experiente suponha que você é o encarregado por liderar uma equipe para produzir o relatório de Balanço Energético Nacional BEN O relatório do BEN documenta e divulga anualmente extensa pesquisa e a contabilidade relativa à oferta e ao consumo de energia no Brasil contemplando as atividades de extração de recursos energéticos primários sua conversão em formas secundárias importação e exportação distribuição e uso final da energia Nesse relatório todavia você foi encarregado de elaborar uma seção que contemplará a realização de uma análise comparativa entre diferentes tipos de formas de geração de energia elétrica no sistema elétrico brasileiro Para tal você é o responsável pela elaboração de um documento no formato de relatório a respeito da atual conjuntura nacional no que se refere à oferta de energia no Brasil e suas potencialidades de exploração de outras fontes de energia para a composição da matriz energética nacional para o futuro Em suma para cumprir essa tarefa aponte no seu relatório As potencialidades energéticas no contexto nacional As possibilidades de diversificação da matriz energética e a inserção de fontes limpas e renováveis Diálogo aberto U2 Geração de energia elétrica 66 A possibilidade da adoção de critérios de eficiência energética e de aumento da segurança energética Não perca de vista que essa expansão deve ser ambientalmente sustentável e economicamente viável Caro engenheiro do EPE você está preparado para resolver essa tarefa Esperamos que você esteja animado Bons estudos e um ótimo trabalho Não pode faltar Primeiramente antes de entrarmos nos aspectos introdutórios da geração de energia elétrica é necessário apresentarmos mesmo que de maneira sucinta algumas definições básicas a respeito de fontes de energia primárias e secundárias e as definições de energia renovável e não renovável As fontes de energia podem ser classificadas como primárias ou secundárias dependendo da origem As fontes primárias são aquelas que têm origem direta nos recursos naturais tais como o sol a água o vento o petróleo o gás natural o urânio o carvão etc As fontes secundárias por sua vez provêm de um processo de transformação tais como a energia elétrica advinda das quedas dágua e a gasolina e o óleo diesel provenientes do refino do petróleo A energia também pode ser classificada como renovável ou não renovável dependendo da sua capacidade de se restaurar isto é que possa ser utilizada ao longo do tempo sem que haja esgotamento Exemplos de fontes renováveis são o sol o vento a água a biomassa carvão vegetal soja canadeaçúcar etc as ondas as marés a geotérmica etc enquanto de fontes não renováveis podemos citar o petróleo o gás natural o carvão mineral e os combustíveis nucleares Reflita No contexto nacional e internacional em que muito se fala de sustentabilidade desenvolvimento sustentável energias limpas energias renováveis etc o que você acha energia limpa e energia renovável são sinônimos Justifique e cite exemplos U2 Geração de energia elétrica 67 No que se refere à matriz energética brasileira sabese que esta é predominantemente dependente do petróleo e de seus derivados A Tabela 21 apresenta as fontes de energia e suas respectivas participações na oferta total de energia no ano de 2015 Fonte EPE 2016 p 1518 Tabela 21 Fontes de energia do Brasil no ano de 2015 Fonte de energia Participação na oferta Total Não renováveis Petróleo e derivados 373 588 Gás natural 137 Carvão mineral 59 Urânio 13 Outras não renováveis 06 Renováveis Biomassa de cana 169 412 Hidráulica 113 Lenha e carvão vegetal 82 Lixívia 262 Biodiesel 103 Eólica 062 Outras biomassas 038 Biogás 003 Gás industrial de carvão vegetal 001 Os valores apresentados na Tabela 21 correspondem à utilização da energia para todas as finalidades que não somente para a produção de eletricidade Nesse cenário portanto os maiores consumidores são o setor industrial e o transporte de carga e mobilidade de pessoas que responde por aproximadamente 65 do consumo de energia no ano de 2015 Desse modo a participação do consumo de energia na indústria corresponde a 325 no transporte a 322 no setor energético a 107 nas residências a 96 na agropecuária a 44 nos serviços a 48 totalizando 942 sendo os 58 restantes utilizados em finalidades não energéticas EPE 2016 U2 Geração de energia elétrica 68 Reflita De acordo com a EPE 2016 os termos matriz energética e matriz elétrica são utilizados com definições distintas A matriz energética é um conceito que se refere à utilização das fontes de energia para todas as finalidades transporte indústria serviços etc não somente para a produção de eletricidade A matriz elétrica por sua vez trata apenas da utilização das fontes de energia com a finalidade de produção de eletricidade Geração de energia elétrica e suas formas A geração de energia elétrica é realizada pela transformação de qualquer fonte de energia em energia elétrica podendo esse processo ocorrer em mais de uma etapa No caso das energias provenientes das águas hidráulica ou do calor térmica em uma 1ª etapa uma máquina primária transforma um desses tipos de energia em energia cinética de rotação e em uma 2ª etapa um gerador elétrico acoplado à máquina primária transforma a energia cinética em energia elétrica Com base em dados já apresentados na unidade anterior verificouse que a fonte hidrelétrica está no topo da matriz elétrica brasileira pela abundância de grandes cursos dágua espalhados por quase todo o território brasileiro Em consonância a isso a Figura 21 ilustra em detalhes os principais tipos de fontes de energia utilizados para geração de eletricidade no Brasil ano base 2015 os montantes produzidos por cada fonte em TWh e as finalidades se são para uso industrial 319 residencial 213 comercial 148 público 69 etc Políticas públicas no entanto têm o intuito de aumentar a participação de outras fontes na matriz elétrica brasileira para os próximos anos sendo elas provenientes CCEE 2017 a Renováveis da energia hidráulica da biomassa cana lenha carvão vegetal e lixívia da energia eólica da energia solar da energia geotérmica da energia maremotriz do biogás e do biodiesel b Não renováveis do petróleo e seus derivados do gás natural do carvão mineral e seus derivados e da energia nuclear urânio Na energia hidráulica o fluxo das águas nas pás de turbinas corresponde ao combustível dessa forma de geração responsável por 64 da matriz elétrica nacional conforme Figura 21 o que corresponde a 3942 TWh gerados no ano de 2015 U2 Geração de energia elétrica 69 Fonte adaptada de EPE 2016 p 42 Figura 21 Fluxo energético para produção de eletricidade ano base 2015 Sobre as obras de construção de uma usina hidrelétrica incluem o desvio do curso do rio e dependendo do tipo de turbina hídrica a ser utilizada a criação de um reservatório Embora as usinas hidrelétricas façam uso de um recurso renovável de energia e que não emita gases de efeito estufa uma das grandes preocupações da sociedade contemporânea os impactos ambientais desse tipo de empreendimento não podem ser desprezados já que são irreversíveis Dentre esses impactos destacamse as mudanças climáticas na região afetada microclima o desmatamento e os prejuízos à fauna e à flora tais como o desaparecimento de espécies de plantas e de peixes o êxodo de animais para outros habitats a proliferação de mosquitos causadores de doenças e mau cheiro resultados do apodrecimento da madeira submersa dentre outros além dos impactos sociais ao desabrigar diversas famílias que viviam na área A potência instalada determina se a usina é de grande médio ou pequeno porte A ANEEL adota três classificações CCEE 2017 Centrais Geradoras Hidrelétricas CGH até 1 MW de potência instalada U2 Geração de energia elétrica 70 Pequenas Centrais Hidrelétricas PCH entre 11 MW e 30 MW de potência instalada Usina Hidrelétrica de Energia UHE mais de 30 MW de potência instalada Nas energias provenientes do gás natural da biomassa do petróleo e seus derivados do carvão e seus derivados e da nuclear as usinas termelétricas se destacam como a forma utilizada para extrair a energia dessas fontes e transformar em energia elétrica Qualquer que seja o combustível utilizado o funcionamento é similar A queima do combustível provoca o aquecimento da água em serpentinas que instaladas ao redor das caldeiras transformase em vapor e gira as pás de uma turbina cujo rotor se move juntamente com o eixo de um gerador produzindo assim a energia elétrica Essa forma de geração é importante para o Brasil e representa cerca de 326 da produção de energia na matriz elétrica nacional o que corresponde a 200 TWh anuais dados extraídos da Figura 21 No que se refere aos impactos ambientais as termelétricas caracterizamse por Elevados níveis de poluição já que tipicamente produzem óxido de enxofre que reage com o oxigênio do ar e forma o ácido sulfúrico o grande responsável pela produção da chuva ácida A produção de óxidos de enxofre óxidos de nitrogênio monóxido e dióxido de carbono e outros gases emitidos por essas usinas são gases de efeito estufa Devido aos impactos ambientais causados por essa forma de geração em especial petróleo e carvão o uso dessas fontes para geração de eletricidade vem caindo desde a década de 70 principalmente devido aos requerimentos de proteção ambiental e ao aumento da competitividade de fontes alternativas Sua importância todavia é ímpar para o suprimento das cargas de pico e no atendimento a sistemas isolados ANEEL 2017 Por fim ressalta se que dentre os combustíveis citados a nuclear não impacta a qualidade do ar enquanto o gás natural e a biomassa impactam bem menos que o carvão e o petróleo Nas energias solar e eólica também inseridas no contexto de energias alternativas a irradiação solar e a velocidade dos ventos funcionam como combustível para a produção de eletricidade Essas formas de energia são ainda pouco representativas na matriz elétrica U2 Geração de energia elétrica 71 nacional mas há projeções de que no ano de 2024 a energia eólica assuma 116 e a solar 33 de participação na produção de energia elétrica no país TOMALSQUIM 2016 No que se refere aos impactos ambientais causados por essas formas de geração temse alguns impactos indiretos tais como Energia Solar necessita de extração de grandes quantidades de minérios que podem ser feitos de maneira não sustentável descarte inadequado pode poluir o meio ambiente com os materiais pesados presentes na composição das placas solares etc Energia Eólica poluição sonora e visual acidentes com aves interferência com ondas de rádio e TV etc Vale ressaltar que as energias alternativas são livres de emissão de gases de efeito estufa durante sua operação mas não são livres de emissão de maneira geral já que se deve considerar o processo de fabricação e eliminação dos componentes dessas formas de geração Pesquise mais Para mais informações a CCEE disponibiliza informações sobre cada tipo de fonte de energia Veja no link disponível em httpswwwcceeorgbrportalfacespages publicoondeatuamosfontesafrLoop181284129641181403F afrLoop3D18128412964118126adfctrlstate3Ds7shcwylo4 Acesso em 10 jul 2017 No que se refere à operação das formas de geração de energia elétrica sabese que é papel do Operador Nacional do Sistema ONS garantir que os montantes de energia ofertados e demandados sejam iguais de modo que se garanta a estabilidade do sistema elétrico como um todo manutenção da frequência do sistema em 60 Hz e dos níveis de tensão próximos aos valores nominais Nesse cenário o ONS dispõe de um conjunto de geradores de energia que possuem a capacidade de controlar o montante de energia a ser despachado e outros que não possuem tal capacidade Assim as formas de geração podem ser classificadas como Despacháveis são aquelas formas de geração capazes de controlar o montante de energia a ser ofertada para o sistema elétrico Exemplos de formas de geração despacháveis U2 Geração de energia elétrica 72 incluem as usinas hidrelétricas que possuem reservatório pois de acordo com a abertura das barragens é possível controlar o fluxo de água que atravessará a máquina primária e consequentemente o montante de energia gerado e as usinas termelétricas pois de acordo com a quantidade de combustível utilizado é também possível realizar esse controle do montante de energia gerado Vale ressaltar que nas usinas nucleares embora despacháveis a produção de eletricidade é tipicamente do tipo ligado ou desligado não havendo muita flexibilidade no montante de energia gerado em valores menores que o da potência nominal da instalação Não despacháveis são aquelas formas de geração que não são capazes de controlar o montante de energia a ser ofertado para o sistema elétrico tais formas produzem energia elétrica de acordo com as condições climáticas locais Exemplos de formas de geração não despacháveis incluem a geração solar fotovoltaica que depende da irradiância solar e a eólica que depende da velocidade dos ventos Em suma o sistema elétrico brasileiro detém características muito peculiares sob as quais o consumo se expande a taxas elevadas de 4 ao ano no horizonte de 20142023 e a hidroeletricidade é a fonte predominante na matriz elétrica nacional A importância dessa fonte tornase ainda maior quando se sabe que o volume de água armazenável representa uma reserva de energia equivalente a cerca de cinco meses do consumo nacional de eletricidade ROMEIRO ALMEIDA LOSEKANN 2015 Nesse cenário quando se comparam as emissões de gases de efeito estufa pelo Brasil em relação a países da União Europeia EUA e China temse que para produzir 1 MWh o setor elétrico brasileiro emite 3 vezes menos que o europeu 4 vezes menos que o americano e 6 vezes menos que o chinês EPE 2016 A Figura 22 ilustra tais níveis de emissões de CO2 U2 Geração de energia elétrica 73 Fonte EPE 2016 p 48 Figura 22 Emissões na produção de energia elétrica no ano de 2013 Exemplificando Sobre a participação das energias renováveis na matriz elétrica nacional o Brasil no ano de 2015 possuía 755 de sua produção proveniente de fontes renováveis Em comparação com valores mundiais o Brasil se destaca porque a média mundial no ano de 2013 girava em torno de 212 EPE 2016 p 35 Cogeração de energia elétrica A cogeração de energia no inglês conhecido como CHP de Combined Heat and Power é definida como o processo de produção combinada de energia elétrica ou mecânica e energia térmica a partir de um mesmo combustível Esse processo é capaz de produzir benefícios sociais econômicos e ambientais já que a atividade de cogeração produz ambos eletricidade e calor a partir de uma mesma quantidade de combustível MODESTO 2011 A cogeração é a forma mais eficiente de gerar calor e energia elétrica a partir de uma mesma fonte de energia Na cogeração a energia térmica é utilizada diretamente nos processos de manufatura tais como fornos caldeiras entre outros Desta maneira diminuem se as perdas e consequentemente aumentam o rendimento e o aproveitamento das fontes de energia Comparando com a utilização de combustível fóssil e a quantidade de calor que é gasta no processo de geração de energia a cogeração alcança níveis de eficiência 3 U2 Geração de energia elétrica 74 vezes maiores podendo chegar a 4 vezes do que no processo convencional de geração MODESTO 2011 No que se refere aos impactos ambientais as implicações são bem menores quando comparadas às do processo convencional de geração não apenas pela sua maior eficiência mas também pelo fato de ser impraticável o transporte de calor a grandes distâncias e os equipamentos de cogeração serem localizados próximos aos processos que utilizam esse calor MODESTO 2011 Geração distribuída e o cenário brasileiro A Geração Distribuída GD é um conceito utilizado para definir geração elétrica próxima das cargas consumidores finais independentemente da fonte de energia primária da potência e da tecnologia utilizada INEE 2017 No Brasil a Resolução Normativa RN 4822012 define também os conceitos de micro e minigeração distribuída sendo eles Microgeração distribuída sistemas de geração de energia renovável ou cogeração qualificada conectados à rede com potência até 75 kW Minigeração distribuída sistemas de geração de energia renovável ou cogeração qualificada conectados à rede com potência superior a 75 kW e inferior a 5 MW limite de 3 MW para geração de energia através de fonte hídrica e cogeração qualificada No cenário de geração distribuída as fontes limpas e renováveis são predominantes tais como a energia solar fotovoltaica e a energia eólica Alguns dos principais benefícios das GDs são PORTAL SOLAR 2017 MME 2017 Matriz energética diversificada e mais sustentável reduzindo o uso de fontes primárias tão poluentes quanto as térmicas a combustíveis fósseis Investimentos na geração centralizada e em linhas de transmissão podem ser adiados São evitadas perdas por transmissão de energia considerando que a geração distribuída tem disponibilidade próxima ao consumo e maior eficiência energética nos empreendimentos Geração de empregos e maior aproveitamento dos recursos U2 Geração de energia elétrica 75 No Brasil altos índices de irradiação solar e altas velocidades dos ventos principalmente na região NE contribuem positivamente para a expansão da utilização desse tipo de geração O sistema de tarifação brasileiro quando há GDs conectados tem como base o sistema de compensação de energia net metering ou seja o consumidorgerador também abreviado para prosumidor do termo em inglês prosumer producer consumer que produz e consome a energia produzida por ele mesmo de modo que ele só paga o excedente consumido e se a diferença da energia produzida pela energia injetada à rede for positiva esse prosumidor recebe um crédito em kWh em sua próxima fatura que terá validade por até 60 meses Sendo assim não é permitida a comercialização do montante excedente de energia entre os prosumidores Vale ressaltar que mesmo que todas as unidades consumidoras de uma cidade por exemplo possuam GDs instaladas a rede elétrica ainda será indispensável porque é ela que será utilizada para o intercâmbio de energia quando a energia gerada localmente não for suficiente para satisfazer as necessidades de demanda do prosumidor o que geralmente é o caso para fontes intermitentes de energia como a solar SILVA HOLLANDA CUNHA 2016 De acordo com o MME 2017 atualmente com um investimento aproximado de R 27 mil instalase um sistema de geração solar em uma residência de porte médio O estímulo à geração distribuída todavia tem gerado expectativas de reduzir pela metade o custo de instalação desses sistemas até 2030 Isso permitirá que o investimento se torne cada vez mais viável e o retorno do investimento ROI seja obtido em até 10 anos Quanto ao potencial de crescimento das GDs no Brasil a Aneel prevê 123 milhão de sistemas fotovoltaicos conectados à rede até 2024 4557 MW sendo que de acordo com a EPE 78 GWp serão instalados em sistemas de geração distribuída até 2050 com grande destaque para a microgeração residencial PORTAL SOLAR 2017 Sem medo de errar Retomando o cenário desenvolvido na presente seção em que você é um engenheiro experiente do EPE que deve elaborar uma seção do relatório do BEN que aponte as potencialidades energéticas no contexto nacional você em conjunto com a sua equipe deverá tratar os diversos aspectos relativos à oferta de energia no Brasil e as U2 Geração de energia elétrica 76 potencialidades de exploração de outras fontes de energia Para realizar essa tarefa portanto uma boa ideia seria organizar seu documento contemplando os seguintes tópicos 1 o panorama atual da oferta nacional de energia 2 as possibilidades de diversificação da matriz energética com a inserção de tecnologias de geração que fazem uso de fontes renováveis de energia e que produzem eletricidade com o mínimo de impactos ambientais e 3 a adoção de critérios de aumento de eficiência e segurança energética Primeiramente lembrese de que o panorama atual da oferta nacional de energia dispõe de um parque gerador predominantemente hídrico com usinas hidrelétricas que dispõem de grandes reservatórios de regularização e armazenagem que permitem guardar a energia excedente do período úmido para posterior utilização no período seco O volume de água armazenável representa uma reserva de cinco meses da carga nacional ROMEIRO ALMEIDA LOSEKANN 2015 Neste cenário esses grandes reservatórios alteram o papel desempenhado pela fonte hídrica na operação do sistema deslocandoas do papel de abastecimento nos momentos de pico de demanda para inclusive fornecer energia de base da carga isto é fora dos momentos de pico de demanda No que se refere ao aspecto operativo da geração desses sistemas portanto surge o principal desafio utilizar a água dos reservatórios no presente ou preservála para o futuro ROMEIRO ALMEIDA LOSEKANN 2015 É nesse contexto que a diversificação da matriz energética se torna cada vez mais importante A decisão de armazenar água depende da existência de fontes firmes despacháveis que independam de fatores climáticos Para tanto termelétricas são essenciais de modo a viabilizar o gerenciamento dos reservatórios e a redução do risco de falta de energia Como o despacho térmico implica em geral gasto com combustível e a capacidade de armazenagem dos reservatórios é muito significativa a operação privilegia a geração hídrica administrando os reservatórios de modo a minimizar as probabilidades de déficit No panorama atual portanto o parque termelétrico é um backup secundário funcionando como uma forma de geração que aumenta a segurança energética nacional à medida que complementa o despacho hídrico em circunstâncias hidrológicas adversas ROMEIRO ALMEIDA LOSEKANN 2015 U2 Geração de energia elétrica 77 No ano de 2001 mais de 90 da energia elétrica do Brasil era produzida por hidrelétrica Foi neste ano portanto que houve um apagão por carência de chuvas e que acendeu o sinal de alerta para a diversificação da matriz elétrica nacional Nesse cenário associado com a conjuntura internacional de surgimento de adoção de novas tecnologias como a solar fotovoltaica e a eólica juntamente com o potencial brasileiro de irradiação solar e velocidade dos ventos aproveitar tais recursos que são limpos e ilimitados é uma alternativa para diversificar a matriz e aumentar a eficiência e a segurança energética nacional Em suma comparando com outros tipos de geração de energia a hidrelétrica pode ser considerada uma boa solução para a questão energética nacional Quando consideramos os riscos ambientais as usinas nucleares por exemplo são muito perigosas E em termos de aquecimento global as termoelétricas lançam gases na atmosfera que contribuem para o efeito estufa O fato é que não existe forma de geração de energia 100 limpa Toda forma de transformação da energia em eletricidade traz algum impacto Todavia embora as fontes alternativas de energia estejam em alta como solução um problema a ser solucionado ainda é o aspecto econômico A energia solar por exemplo gera muito menos energia que uma usina hidrelétrica se considerarmos projetos de mesmo custo Nesse sentido a redução do consumo ou o consumo consciente pode ser uma alternativa mais imediata e viável para garantir um desenvolvimento mais sustentável para o Brasil Por fim atendendo aos pontos discutidos aqui no Sem medo de errar você seria capaz de concluir com sucesso essa etapa do seu relatório Todavia como as possibilidades de diversificação da matriz energética nacional também são muito dependentes de aspectos socioeconômicos e que nem sempre podem ser previstos com exatidão que outras possibilidades você consideraria para o futuro energético brasileiro Avançando na prática Net metering como funciona Descrição da situaçãoproblema Caro aluno suponha que você optou por instalar geração distribuída GD em sua residência e passou do papel de consumidor U2 Geração de energia elétrica 78 apenas para se tornar um prosumidor Sua instalação se localiza em área rural com um sistema de GD instalado fotovoltaico eólico conforme Figura 23 Fonte adaptada de ANEEL 2016 Figura 23 Sistema de compensação de energia elétrica net metering Vamos supor dois cenários sendo eles Cenário A a instalação consumiu 550 kWh e o sistema de GDs gerou 420 kWh Cenário B a instalação consumiu 310 kWh e o sistema de GDs gerou 420 kWh Vale ressaltar que não necessariamente a geração ocorreu no mesmo momento da demanda Com base nos cenários A e B explique como se dará o pagamento de sua conta de energia no final do mês Resolução da situaçãoproblema Analisando as medições de energia geradas e consumidas na sua residência nos cenários A e B temse que No cenário A como o sistema demandou 550 kWh e produziu apenas 420 kWh você o prosumidor não gerou energia suficiente para abastecer a sua unidade consumidora sendo essa diferença de 130 kWh suprida pela distribuidora local Nesse caso portanto você pagará no final do mês na sua conta de energia o valor equivalente aos 130 kWh consumidos No cenário B como o sistema demandou apenas 310 kWh e produziu 420 kWh você o prosumidor não utilizou toda a energia gerada pelo seu GD sendo o excedente de 110 kWh injetado à rede elétrica da distribuidora local Esse excedente U2 Geração de energia elétrica 79 não retornará para você na forma de dinheiro mas sim na forma de crédito para as próximas contas com prazo de validade de até 60 meses Vale ressaltar que a sua conta de energia não pode ser zerada pois você pagará a taxa mínima da conta de energia relativa à disponibilidade de utilização da rede da distribuidora local Assim a partir da compreensão dos cenários A e B aluno você é capaz de entender como os GDs atualmente podem beneficiálo caso você um dia opte por se tornar um prosumidor Faça valer a pena 1 As fontes primárias de energia são aquelas originadas diretamente dos recursos naturais enquanto as fontes secundárias por sua vez são aquelas que passaram por um processo de transformação Dentre as alternativas abaixo assinale a alternativa correta que aponta apenas fontes primárias de energia a Gasolina gás natural e sol b Vento sol e gasolina c Urânio sol e gás natural d Carvão mineral óleo diesel e urânio e Água vento e eletricidade 2 Sobre as formas de geração de energia elétrica e seus impactos ambientais analise as seguintes afirmativas I A energia solar não causa impacto ambiental algum ao meio ambiente por isso é uma energia dita 100 limpa II O petróleo e o carvão são as fontes primárias mais poluentes quando se trata de geração de energia por termelétricas III As energias hidráulica e nuclear são formas de energia limpas e renováveis Com base nas afirmativas acima assinale a alternativa correta a Apenas a afirmativa I está correta b Apenas a afirmativa II está correta c Apenas a afirmativa III está correta d Apenas as afirmativas II e III estão corretas e Apenas as afirmativas I e II estão corretas 3 De acordo com os dados da Empresa de Pesquisa Energética EPE 2016 o Brasil é um país cuja matriz elétrica é fortemente dependente da energia hidráulica correspondendo a 64 da matriz elétrica nacional Porém quando há períodos de pouca chuva estiagem no país os reservatórios U2 Geração de energia elétrica 80 das usinas hidrelétricas secam e a segurança da oferta de energia no país reduz consideravelmente Nesses casos para garantir o abastecimento energético do país medidas podem ser tomadas tais como o acionamento de termelétricas para suprir a falta de energia Que impactos isso causará para a sociedade e diretamente ao consumidor brasileiro I A energia fornecida será de pior qualidade II O custo da energia será maior III Aumento dos impactos ambientais IV Redução da eficiência e da segurança energética Com base nas afirmativas acima e no contexto apresentado assinale a alternativa correta a Apenas as afirmativas II e III estão corretas b Apenas as afirmativas I e IV estão corretas c Apenas as afirmativas I e II estão corretas d Apenas as afirmativas II e IV estão corretas e Apenas as afirmativas II III e IV estão corretas U2 Geração de energia elétrica 81 Seção 22 Centrais Hidrelétricas Caro aluno como nesta seção iremos estudar com mais profundidade as especificidades das centrais hidrelétricas e a existência das pequenas centrais hidrelétricas PCHs você será capacitado a conhecer e compreender os fatores técnicos que indicam o potencial para a construção de uma usina hidrelétrica e além disso compreender que nas etapas de planejamento e dimensionamento dessa usina há um conjunto de impactos ambientais e sociais a serem considerados Retomando o cenário em que você é um gestor da EPE nesta etapa você será encarregado de fornecer mais uma seção de seu relatório de Balanço Energético Nacional BEN Primeiramente recorde que você propôs como solução para a expansão da oferta de energia no Brasil uma maior diversificação da matriz energética brasileira Desse modo você propôs a maior incorporação de energias renováveis e de geração distribuída Supondo que esse cenário proposto se concretize portanto nessa etapa do seu relatório elabore um documento no formato de seção de relatório que faça uma análise preditiva a respeito de que maneira o papel das centrais hidrelétricas poderá se alterar ou não nessa nova conjuntura da matriz elétrica nacional Para cumprir essa tarefa não deixe de responder aos seguintes questionamentos Em um cenário de 10 ou 20 anos à frente qual será a importância das centrais hidrelétricas na matriz elétrica nacional As fontes hidráulicas de energia não devem mais ser predominantes na matriz elétrica brasileira Que impactos a redução da participação das centrais hidráulicas causa no que se refere à segurança energética no Brasil Caro gestor você está preparado para resolver mais essa tarefa Espero que você esteja animado Bons estudos Diálogo aberto U2 Geração de energia elétrica 82 Não pode faltar Centrais hidrelétricas são elementos constituintes dos sistemas de geração de energia elétrica que produzem energia elétrica por meio do acionamento de um conjunto turbina hidráulica gerador elétrico também chamado de grupo gerador sendo o combustível a água Nesse conjunto a turbina realiza a transformação da energia hidráulica em mecânica pela passagem da água ao impulsionar um conjunto de pás enquanto o gerador cujo rotor é acoplado mecanicamente com a turbina tem a função de transformar essa energia mecânica em energia elétrica Tipicamente geradores síncronos são utilizados nesses casos porque os sistemas elétricos de potência SEPs devem operar com frequência fixa constante e tensão nominal Para controlar a potência elétrica do conjunto utilizamse REIS 2011 a Reguladores de tensão que atuam na corrente de enrolamento do rotor corrente de excitação de campo assim controlando a tensão nos terminais do gerador b Reguladores de velocidade que atuam na válvula de entrada de água da turbina controlando a frequência Assimile Os geradores elétricos utilizados em centrais produtoras de eletricidade são máquinas que produzem energia elétrica de corrente alternada com a frequência definida pela rotação a que são submetidas A energia elétrica no Brasil adota a frequência de 60 Hz Os geradores mais utilizados são do tipo trifásico conhecidos como alternadores síncronos em esquemas de velocidade fixa A Figura 24 apresenta de forma simplificada o diagrama de controle da operação de uma hidrelétrica Fonte Reis 2011 p 84 Figura 24 Diagrama de controle da operação de uma hidrelétrica Turbina Gerador Entrada de água válvula Reg Veloc Erro de frequência ou potência Energia elétrica Tensão do sistema elétrico Regulação de tensão Rotor de gerador Pmec U2 Geração de energia elétrica 83 Fonte Reis 2011 p 83 Figura 25 Esquema de uma central hidrelétrica Principais componentes das Centrais Hidrelétricas As centrais hidrelétricas são constituídas basicamente dos seguintes componentes barragens extravasores comportas tomada da água condutos chaminés de equilíbrio ou câmara de descarga e casa de força A Figura 25 ilustra um esquemático de uma central hidrelétrica com diversos desses componentes A finalidade de cada um desses componentes portanto é apresentada a seguir REIS 2011 a Barragens são responsáveis por represar a água para captação e desvio para regularização de vazões e amortecimento de ondas de enchentes e para elevar o nível dágua para aproveitamento elétrico e navegação A escolha do melhor tipo de barragem é um problema tanto de viabilidade técnica quanto de custo A solução técnica depende do relevo da geologia e do clima Já os custos estes dependem principalmente da disponibilidade de materiais de construção próximos ao local da obra e da acessibilidade de transporte Há diferentes tipos de barragens de gravidade em arco e de gravidade em arco cuja avaliação e escolha são efetuadas principalmente pela equipe de engenharia civil b Extravasores são responsáveis por permitir a passagem direta de água para jusante São elementos associados à segurança estrutural das barragens que em caso de extrapolar um certo limite máximo prefixado em que o reservatório pode ficar cheio descarregam esse excesso de água e evitam que as barragens sejam assim danificadas c Comportas são responsáveis por isolar o sistema final de produção da energia elétrica do fluxo contínuo de água Isso torna possível por exemplo trabalhos de manutenção U2 Geração de energia elétrica 84 d Tomada da água são responsáveis por permitir a retirada de água do reservatório e proteger a entrada do conduto de danos e obstruções provenientes de congelamento tranqueira ondas e correntes e Condutos são responsáveis por permitir o escoamento da água Estes podem ser classificados em condutos livres ou em condutos forçados Os livres podem ser em canais a céu aberto ou aquedutos Os forçados por sua vez são aqueles em que o escoamento se faz com a água a plena seção Um problema associado aos condutos é a perda de carga redução da vazão resultado de fenômenos do escoamento da água tais como atrito características do encanamento etc A determinação dessa perda é uma parte importante do projeto e depende fortemente do material utilizado na tubulação aço concreto ferro fundido cimento amianto etc f Chaminés de equilíbrio ou câmaras de descarga são aberturas chaminés no conduto forçado responsáveis por aliviar o excesso de pressão que ocorre quando o escoamento de um líquido por uma tubulação é abruptamente interrompido pelo fechamento de uma válvula Esse fenômeno é conhecido como golpe de aríete Caso essas chaminés não existissem um fechamento abrupto de uma válvula poderia gerar uma série de pressões positivas no interior dos condutos forçados que poderiam até causar o rompimento destes Vale ressaltar que as câmaras de descarga apresentam funções similares às chaminés de equilíbrio exceto pelas características construtivas g Casas de força são responsáveis por alojar uma série de elementos como as turbinas os geradores os reguladores painéis etc de modo que o projeto adequado de uma casa de força é um dos aspectos mais importantes no dimensionamento de usinas Tipos de Centrais Hidrelétricas As usinas hidrelétricas podem ser classificadas quanto ao uso das vazões naturais da potência da queda dágua da forma de captação de água e da função no sistema A Tabela 22 classifica cada tipo de central hidrelétrica REIS 2011 U2 Geração de energia elétrica 85 Fonte adaptada de Reis 2011 p 9293 Tabela 22 Classificação de Centrais Hidrelétricas Quanto ao uso da vazão natural Centrais a fio dágua ex Itaipu Jirau Belo Monte Centrais de acumulação ex Tucuruí Ilha Solteira Centrais reversíveis ex Pedreira Vigário etc Quanto à potência P Micro Mini Pequenas Médias Grandes P 01 MW 01 MW P 1 MW 1 MW P 30 MW 30 MW P 100 MW P 100 MW Quanto à queda H Baixíssima Baixa Média Alta H 10 m 10 m H 50 m 50 m H 250 m H 250 m Quanto à forma de captação de água Desvio em derivação Leito ou represamento Quanto à função no sistema Operação na base da curva de carga Operação flutuante Operação na ponta da curva de carga Da Tabela 22 temse que as usinas a fio dágua Operação flutuante usualmente possuem uma capacidade de armazenamento bem pequena de modo que tipicamente dispõem somente da vazão natural da água As usinas a fio dágua que possuem um pequeno reservatório fazem uso desse armazenamento para durante as horas fora de ponta armazenar água e nas horas de ponta utilizála Já as usinas com reservatório de acumulação Operação na base têm um reservatório de tamanho suficiente para acumular água na época das chuvas para uso na época de estiagem Em outras palavras essa usina U2 Geração de energia elétrica 86 pode ter à disposição uma vazão firme bem superior em comparação ao caso em que não existisse um reservatório vazão mínima natural Por fim no que se refere às usinas reversíveis Operação na ponta também chamadas de centrais com armazenamento por bombeamento ou com reversão a energia é produzida para satisfazer a carga máxima Durante as horas de demanda reduzida todavia a água é bombeada de um represamento no canal de fuga para um reservatório a montante para assim permitir uma posterior utilização REIS 2011 Sob certas circunstâncias as usinas reversíveis representam um complemento econômico de um sistema de potência servem para aumentar o fator de carga de outras usinas do sistema à medida que proporcionam potência adicional para atender às demandas máximas Como há considerável perda de energia da eficiência do processo de bombeamento da água na operação de centrais reversíveis um planejamento estratégico e eficiente é necessário a fim de que se possa obter economia na operação global desse sistema Vale destacar portanto que essas usinas são importantes porque convertem energia elétrica em mecânica durante as horas de baixa demanda energia mais barata e retornam a conversão da energia mecânica para elétrica nas horas de alto valor ou seja nas horas de ponta de carga energia mais cara REIS 2011 Reflita Com base nos tipos de centrais hidráulicas existentes que usinas causariam mais impactos ambientais as usinas a fio dagua ou as com reservatório de acumulação Qual benefício de uma ou de outra se sobressai para justificar a escolha considerando os diversos fatores técnicos ambientais e sociais Quanto à operação de hidrelétricas um fator extremamente preocupante é a estiagem Como a água é o combustível das usinas hidráulicas como garantir o suprimento de energia elétrica em caso de longos períodos de ausências de chuvas Tipos de turbinas hidráulicas As turbinas hidráulicas basicamente são subdivididas em dois tipos as de ação ex turbina Pelton e as de reação ex turbina Francis e Kaplan Uma turbina é de ação quando o jato de água que percorre o rotor da turbina efetivamente o impulsiona sendo U2 Geração de energia elétrica 87 as pressões de entrada e de saída iguais Com base nessa premissa turbinas de ação não funcionam imersas na água somente ao ar livre Uma turbina é de reação quando o jato de água que percorre o rotor da turbina não o impulsiona efetivamente mas percorre a periferia do rotor de modo que a descarga ocorra paralelamente ao eixo de rotação sendo a pressão de saída inferior à de entrada Baseado nessa premissa turbinas de reação funcionam imersas na água Essas turbinas são normalmente utilizadas para médias e baixas quedas Dentro das turbinas de reação há dois grandes grupos turbinas radiais e turbinas axiais E os arranjos típicos incluem turbinas com eixos horizontais ou verticais Tradicionalmente somente três tipos de turbinas são estudados sendo eles turbina Pelton de ação e turbinas Francis e Kaplan de reação No que se refere ao projeto de uma turbina dois aspectos primordiais devem ser analisados a altura da queda dágua em metros e a vazão em m3s Todas as perdas envolvidas devem ser levadas em consideração A partir desses dois parâmetros é possível através do catálogo do fabricante identificar a melhor opção Para compreendermos as características de cada turbina a seguir explicitaremos detalhes sobre as turbinas Pelton Francis e Kaplan Pesquise mais Os cálculos de potência gerada e energia produzida podem ser mais aprofundados em Reis 2011 p 109110 Disponível em https integradaminhabibliotecacombrbooks9788520443088pageid132 Acesso em 11 jul 2017 Turbina Pelton A turbina Pelton é uma turbina de ação também chamada de turbina de jato livre porque o torque rotacional é gerado pela ação de um jato que atinge efetivamente as pás do rotor A principal característica desse tipo de turbina é a alta velocidade do jato na saída do bocal que dependendo da queda atinge valores de 150 a 180 ms A Figura 26 ilustra duas vistas de uma turbina Pelton com eixo horizontal U2 Geração de energia elétrica 88 Fonte adaptada de Mello 2015 Figura 26 Desenhos ilustrativos em a e b de uma turbina Pelton com eixo horizontal a b As turbinas Pelton são consideradas para alturas superiores a 150 m e inferiores a 2000 m a fim de se aumentar o seu desempenho Para alturas menores que 150 m todavia tipicamente são utilizadas turbinas do tipo Francis que serão apresentadas mais adiante Para aplicações de porte mini e micro todavia aplicações para quedas com menos de 20 m ainda são possíveis Nesses casos todavia um cenário desafiador surge quando há grande vazão e baixa queda dágua pois para atender a essas restrições o rotor deverá ser muito grande para a potência de saída desejada Para contornar esse desafio portanto existem duas soluções possíveis i aumentar o número de jatos ou ii utilizar rotores gêmeos No primeiro caso o uso de dois ou mais jatos permite reduzir o diâmetro do rotor para uma mesma vazão No segundo caso todavia dois rotores idênticos são utilizados em paralelo sobre o mesmo eixo do gerador esta opção só é utilizada quando aumentar o número de jatos Por fim uma última alternativa seria bifurcar uma única tubulação principal o mais próximo da turbina possível e instalar dois grupos de turbinas hidráulicagerador elétrico independentes U2 Geração de energia elétrica 89 Fonte adaptada de Mello 2005 Figura 27 Desenhos ilustrativos em a e b de uma turbina Francis com eixo vertical a b No Brasil há várias centrais hidrelétricas do tipo Pelton todavia destacamse as aplicações em pequenas centrais hidrelétricas PCHs No que se refere aos médios ou grandes empreendimentos o número é bem menor quando se compara com a Francis ou com a Kaplan mais tradicionais Turbina Francis A turbina Francis é uma turbina de reação que opera da seguinte forma a água entra no rotor pela periferia e por diferença de pressão entre os lados do rotor o movimento de rotação das pás ocorre As pás do rotor são projetadas de uma maneira complexa perfiladas em uma caixa espiral que distribui a água ao redor do rotor As turbinas Francis são comumente encontradas em grandes empreendimentos inclusive no Brasil de modo que nesses casos valores tão elevados quanto potências nominais unitárias de 750 MW podem ser obtidas Tudo isso só é possível graças ao rendimento que chega a atingir patamares superiores a 92 para grandes máquinas tendo sua aplicação bastante flexível no que se refere à altura de queda dágua adaptandose tanto para locais de baixa queda quanto de elevada queda ANEEL 2017 Referente a aspectos construtivos dessa turbina existem turbinas Francis tanto com eixo horizontal quanto com eixo vertical Vale ressaltar que as turbinas com eixo horizontal são tipicamente utilizadas em pequeno porte por questões construtivas da necessidade ou não de mancais de deslizamentos radiais e mancais guias A Figura 27 ilustra duas vistas de uma turbina Francis com eixo vertical U2 Geração de energia elétrica 90 Na Figura 27 é possível observar que a água provém da entrada da água circula pela caixa espiral transfere parte de sua energia para o rotor e deixa a turbina pelo tubo de sucção As turbinas Francis modernas sempre possuem a função de ajuste das pás diretrizes também chamadas de pás distribuidoras e o seu ajuste comandado pelo conjunto regulador permite o controle da vazão de água que passa dentro da turbina A turbina Francis é uma das mais difundidas e utilizadas no Brasil tanto para grandes quanto para pequenas mini e microcentrais hidrelétricas Um dos únicos inconvenientes dessa turbina é que a curva de rendimento varia bastante com a vazão Turbina Kaplan São adequadas para operar entre quedas de 10 m até 70 m ANEEL 2017 A única diferença entre as turbinas Kaplan e Francis é o rotor Na Kaplan o rotor se assemelha à hélice propulsora de um navio contendo tipicamente de duas a seis pás móveis Para controle de vazão a variação do ângulo de inclinação das pás é realizada por um sistema de êmbolo e manivelas construído no interior do rotor O acionamento das pás é acoplado ao das palhetas do distribuidor de modo que para uma determinada abertura do distribuidor um determinado valor de inclinação das pás do rotor é obtido As turbinas Kaplan também apresentam uma curva de rendimento plana garantindo bom rendimento em uma ampla faixa de operação Fonte adaptada de Voith 2005 Figura 28 Desenho ilustrativo de uma turbina Kaplan Prédistribuidor U2 Geração de energia elétrica 91 Exemplificando As usinas hidroelétricas de Tucuruí na cidade de TucuruíPA e Itaipu na cidade de Foz do IguaçuPR são exemplos de centrais com turbina Francis a usina de Três Marias na cidade de Três MariasMG com turbina Kaplan e a usina de Henry Borden na Serra do Mar em Cubatão SP com turbina Pelton Características da operação de geradores elétricos A produção de energia elétrica pode ser limitada dependendo da finalidade da água além da geração de eletricidade tais como suprimento de água para comunidades irrigação navegação recreação etc Considerandose as centrais hidrelétricas portanto o planejamento da expansão dos SEPs precisa ser adaptado aos diversos usos da água Ao contrário das centrais termelétricas as hidrelétricas apresentam incertezas para o fornecimento de energia e para a capacidade de suprir a demanda na ponta pois dependem das propriedades aleatórias das vazões naturais dos rios Para sistemas de potência em que as centrais hidrelétricas desempenham um papel importante os efeitos aleatórios e estocásticos das vazões devem ser estudados com cuidado A geração anual é limitada pela quantidade de água captada anualmente e pelo tamanho do reservatório se existir ao contrário das centrais termelétricas cuja geração anual é primordialmente determinada pelas possíveis horas anuais de operação da central A eficiência das usinas hidrelétricas dentro de SEPs pode ser melhorada de três maneiras basicamente e elas são aumento da potência de ponta ou seja recapacitando as centrais já existentes aumento da produção total de energia ou seja ampliando a vazão tanto por meio de um melhor gerenciamento da bacia em questão quanto pelo aumento do tamanho do reservatório aumentar a altura das barragens já existentes eou construção de novas usinas como forma de expandir os sistemas de geração Reflita Para construção e operação de várias centrais hidrelétricas num mesmo rio é necessário levar em conta o planejamento integrado de recursos hídricos da bacia hidrográfica Como deve ser feito o planejamento de operação de modo a gerar a maior quantidade de energia possível e manter a segurança energética U2 Geração de energia elétrica 92 Sem medo de errar Retomando a proposta no Diálogo aberto em que você é o gestor técnico responsável por dar continuidade ao seu relatório de Balanço Energético Nacional BEN nesta etapa você deverá produzir mais uma seção do seu relatório analisando preditivamente qual será o papel das centrais hidrelétricas no cenário futuro brasileiro em que se considere a possibilidade de a matriz elétrica nacional se modificar com a introdução de energias renováveis na forma de geração distribuída fonte de energia intermitente e não despachável Como você organizaria seu relatório Uma sugestão é organizálo da seguinte forma 1 a importância das centrais hidrelétricas na matriz elétrica nacional nas próximas décadas 2 os desafios que surgirão caso as fontes hidráulicas deixem de ser predominantes na matriz elétrica nacional e 3 o que os impactos no setor elétrico resultados da redução da participação das centrais hidráulicas causariam na segurança energética brasileira A evolução do setor elétrico ao longo dos anos especialmente no que concerne à geração de energia elétrica prioriza substituir primeiramente as fontes de energia com altos índices de emissão de gases poluentes por outras fontes limpas e renováveis Nesse cenário as fontes hidráulicas se destacam em duas vertentes De um lado ambiental a energia hidráulica se configura como uma forma de energia limpa e renovável porque praticamente não emite gases de efeito estufa conforme Seção 1 desta unidade De outro lado operacional as centrais hidrelétricas por meio das usinas à fio dágua das com reservatório de acumulação principalmente e das reversíveis são capazes de atuar como geradores despacháveis ou seja que controlam por meio das comportas e do reservatório o montante de água que passará pelas turbinas e consequentemente o quanto de energia elétrica que será produzido ao longo do dia Esse fator é importantíssimo para garantir que não haja desequilíbrio entre oferta e demanda de energia elétrica aumento da segurança energética Assim a importância das centrais hidrelétricas em um cenário de 10 ou 20 anos deve ser mantida como a fonte dominante na matriz elétrica nacional Em uma nova ótica e seguindo essa tendência de priorizar projetos que minimizem os impactos ambientais as construções de novas usinas hidrelétricas devem ser reduzidas para as próximas décadas Os U2 Geração de energia elétrica 93 impactos ambientais e sociais decorrentes da construção de novos empreendimentos são irreversíveis Vale ressaltar que nesse cenário de criação de tendências o principal fator que decide a construção ou não de uma hidrelétrica é políticoeconômico Considerando o caso todavia em que as fontes hidráulicas deixassem de ser predominantes na matriz elétrica brasileira mediante a adoção massiva de geração distribuída em especial a solar fotovoltaica e a eólica e que realmente houvesse uma maior diversificação dessa matriz sérios desafios principalmente para a operação dos SEPs existiriam A flexibilidade que os reservatórios de água e as comportas oferecem para o sistema de geração de energia elétrica como um todo viabiliza por meio de reguladores de velocidade e reguladores de tensão realizar a manutenção da frequência de operação 60 Hz no Brasil e dos níveis de tensão dentro dos valores predeterminados em legislaçãopadronização Em um cenário de altos níveis de incertezas na oferta de eletricidade decorrente da intermitência da irradiação solar e das velocidades dos ventos todavia estressaria os reguladores de velocidade e os reguladores de tensão de centrais hidrelétricas a fim de que tensão e frequência pudessem ser mantidas dentro dos limites e possivelmente existiriam casos com maior frequência em que esses reguladores não seriam capazes em sua habilidade de controle de realizar a compensação de excesso ou de falta de oferta com a mesma agilidade que a mudança de sol e de vento ao longo do dia podendo haver inclusive blackouts Para contornar essa limitação as centrais termelétricas continuariam sendo importantes na matriz energética brasileira pois como será estudado na Seção 23 desta unidade reforçam a segurança energética nacional porque também são formas de geração despacháveis e também possuem em sua composição reguladores de velocidade e de tensão Caro gestor você consideraria algum outro aspecto que você considera relevante no preenchimento de seu relatório Com a apresentação de sua análise seguindo os aspectos abordados anteriormente você será capaz de concluir com sucesso essa etapa do seu relatório Bom trabalho U2 Geração de energia elétrica 94 Avançando na prática A Usina Hidrelétrica de Belo Monte Descrição da situaçãoproblema Um fato recente nesse contexto de centrais hidrelétricas foi a construção no curso do rio Xingu da Usina Hidrelétrica de Belo Monte Esse fato vai contra a proposta defendida no Sem medo de errar pois estimula a geração hidráulica em detrimento de outras formas de diversificação da matriz energética Tomando isso como premissa portanto no que diz respeito à questão ambiental e à questão energética muito há o que se discutir De um lado as populações tradicionais e indígenas bem como ativistas e grupos ambientalistas questionavam os impactos da construção dessa usina de outro o governo e outros ativistas defendiam a sua construção em prol do aumento da produção de energia no país e um maior suporte para encarar uma possível crise energética Uma vez concluída Belo Monte se tornará a maior usina hidrelétrica brasileira atrás apenas de Itaipu que é binacional e a terceira maior do mundo segundo dados do Governo Federal PENA 2014 Caro aluno supondo o cenário que você como engenheiro pode tanto priorizar a defesa do meio ambiente em detrimento da construção dessa usina quanto priorizar a construção da usina em detrimento de seus impactos socioambientais elabore uma dissertação que será levada para debate junto aos órgãos competentes locais e que você apresente os prós e contras ao se construir a hidrelétrica de Belo Monte Resolução da situaçãoproblema Analisando os impactos ambientais e sociais causados pela construção de Belo Monte é fato que as construções e as barragens afetam tanto índios como ribeirinhos que viviam naquelas localidades Cerca de 100 km do trecho do rio Xingu tem sua vazão reduzida e podem até secar segundo estimativas Outra preocupação decorre da preservação da fauna e flora nativa visto que parte delas está ou sendo destruída na construção da infraestrutura ou sendo inundada pela barragem PENA 2014 Vale ressaltar que geralmente obras desse porte causam danos irreversíveis à natureza Comunidades tradicionais também preocupadas com o meio ambiente terão suas vidas profundamente alteradas na região A U2 Geração de energia elétrica 95 barragem deverá interromper a navegação das populações afetadas nesse trecho além de contribuir para a formação de lagos que consequentemente poderão contribuir para a difusão de doenças principalmente devido à água parada PENA 2014 No entanto os benefícios ao Sistema Interligado Nacional SIN são importantíssimos considerando que a usina terá capacidade nominal de 11 GW e em média deverá produzir 10 do consumo nacional Isto associado às projeções de crescimento de demanda de energia no Brasil poder fazer desse empreendimento um mal necessário para garantir a segurança energética nacional e assim evitar possíveis blackouts no futuro Caro engenheiro portanto que outros argumentos você incluiria nesse debate Em sua dissertação você apoiará ou não a construção da usina Faça valer a pena 1 Centrais hidrelétricas são elementos constituintes dos sistemas de geração de energia elétrica que produzem energia elétrica por meio do acionamento de um conjunto turbina hidráulica gerador elétrico sendo o combustível a água Nesse conjunto turbina hidráulica gerador elétrico a turbina realiza a transformação da energia hidráulica em mecânica pela passagem da água ao impulsionar um conjunto de pás enquanto o gerador cujo rotor é acoplado mecanicamente com a turbina tem a função de transformar essa energia mecânica em energia elétrica Tipicamente geradores síncronos são utilizados nesses casos porque os sistemas elétricos de potência SEPs devem operar com frequência fixa constante e tensão nominal Para controlar a potência elétrica do conjunto alguns dispositivos são utilizados Com base no texto acima assinale a alternativa correta a respeito do dispositivo de controle de frequência a Reguladores de tensão b Reguladores de velocidade c Reguladores de corrente d Reguladores de impedância e Reguladores de potência 2 As usinas hidrelétricas são comumente classificadas de acordo com o uso das vazões naturais a potência a queda dágua a forma de captação de água e a função que exerce no sistema Dentre essas funções existem aquelas que têm um reservatório de tamanho suficiente para acumular água na época das chuvas para uso na época de estiagem outras que U2 Geração de energia elétrica 96 pouco têm ou mesmo não têm um reservatório e por fim aquelas que possuem um reservatório mas que bombeiam água para que tenham combustível assim que desejar Considerando esse contexto e as classificações de usinas quanto ao uso das vazões naturais é possível afirmar que tipicamente as fundamentalmente têm operação No que se refere à classificação das centrais hidrelétricas assinale a alternativa que corretamente preenche as lacunas a Centrais reversíveis na base do perfil de carga b Centrais com acumulação flutuante c Centrais a fio dágua na base do perfil de carga d Centrais reversíveis na ponta do perfil de carga e Centrais a fio dágua na ponta do perfil de carga 3 As turbinas hidráulicas basicamente são subdivididas em dois tipos as de ação e as de reação Uma turbina é de ação quando o jato de água que percorre o rotor da turbina efetivamente o impulsiona sendo as pressões de entrada e de saída iguais Com base nessa premissa turbinas de ação não funcionam imersas na água somente ao ar livre Uma turbina é de reação quando o jato de água que percorre o rotor da turbina não o impulsiona efetivamente sendo a pressão de saída inferior à de entrada Nesse contexto assinale a alternativa que corretamente ordena uma turbina de ação e uma turbina de reação sendo esta comumente utilizada apenas em baixas quedas dágua a Turbinas Pelton e Francis b Turbina Francis e Kaplan c Turbina Kaplan e Pelton d Turbina Pelton e Kaplan e Turbina Francis e Pelton U2 Geração de energia elétrica 97 Seção 23 Centrais termelétricas Caro aluno lembrese de que estudamos anteriormente as centrais hidrelétricas que são a principal forma de geração de energia no Brasil Nesta seção daremos prosseguimento ao nosso estudo apresentando as centrais termelétricas que como já sabemos são a segunda forma de geração predominante na matriz elétrica nacional e ao redor do mundo são predominante considerando que muitos países não têm potencial para explorar a energia hidráulica por exemplo As centrais termelétricas operam pela queima de combustíveis Estes produzem vapor ou gás para gerar torque rotacional em uma turbina que acoplada a um gerador produz eletricidade Nesta seção você será introduzido aos principais componentes e tipos de centrais termelétricas os combustíveis comumente utilizados e os impactos ambientais causados por esses empreendimentos Neste último item não perca de vista que as usinas termelétricas são os maiores vilões da matriz elétrica mundial no que se refere à emissão de gases de efeito estufa mas ainda são necessárias para garantir a segurança energética de uma nação Nesse contexto portanto vamos retomar o cenário em que você é um gestor da EPE e que você é o encarregado por produzir algumas seções do relatório de Balanço Energético Nacional BEN Nesta etapa a última você deverá concluir o seu relatório a respeito do papel das centrais termelétricas na matriz elétrica nacional Em sua análise você ponderou até então a importância das centrais termelétricas na matriz energética brasileira principalmente no que se refere à segurança energética nacional Além disso os impactos ambientais e as emissões de gases de efeito estufa provenientes da queima de combustíveis fósseis praticadas durante as etapas de transformação da energia térmica em energia elétrica nessas usinas são fatores a serem analisados em seu relatório Para cumprir essa tarefa não deixe de responder aos seguintes questionamentos Diálogo aberto U2 Geração de energia elétrica 98 Diante da conjuntura nacional prevista para os próximos 20 anos de aumento de demanda por energia elétrica qual sua projeção para o futuro das usinas termelétricas na matriz energética nacional Que fatores você entende como preponderantes para uma maiormenor adoção de centrais termelétricas Caro gestor você está preparado para concluir o seu relatório Aprenda as informações que serão apresentadas nesta seção pois são de vital importância para a sua formação e contribuirão para tornálo um engenheiro capacitado a realizar uma análise crítica entre diferentes tipos de formas de geração de energia elétrica Esperamos que você esteja animado para conhecer os novos conhecimentos que você está para adquirir Desde já então desejamos uma boa jornada nos estudos As centrais termelétricas essencialmente produzem energia elétrica por meio da conversão de energia térmica em energia mecânica para por fim haver eletricidade sendo gerada Essa energia térmica é transformada em mecânica por meio do uso de um fluido que quando aquecido expande e realiza trabalho em turbinas térmicas Na prática a queima de um combustível gera calor para transformar um líquido em vapor ou gás em uma caldeira O vapor ou gás se expande ou seja há redução da pressão na turbina a vapor ou a gás produz torque ao eixo de uma turbina mecanicamente acoplada a um gerador elétrico concretizando a conversão da energia mecânica em energia elétrica O processo segue com o vapor ou gás na saída da turbina sendo direcionado para dentro de um condensador de modo que o calor possa ser removido obtendo um estado líquido novamente e assim recomeçando o ciclo com o bombeamento desse líquido mais uma vez à caldeira A produção da energia térmica pode se dar pela transformação da energia química dos combustíveis por meio do processo da combustão ou da energia nuclear dos combustíveis radioativos com a fissão nuclear Centrais com geração baseada em combustão são denominadas de centrais termelétricas Centrais com geração baseada em fissão nuclear são denominadas centrais nucleares Assim tem Não pode faltar U2 Geração de energia elétrica 99 se que as centrais termelétricas convencionais são classificadas de acordo com o método de combustão utilizado REIS 2011 i Combustão interna ocorre principalmente em turbinas a gás e em motores diesel máquinas térmicas a pistão de modo geral de modo que o combustível entre em contato com o fluido de trabalho A combustão ocorre na mistura arcombustível ii Combustão externa ocorre principalmente em turbinas a vapor de modo que o combustível não entre em contato com o fluido de trabalho Nesta o combustível aquece o fluido de trabalho em geral a água em uma caldeira para produzir vapor Essa transformação de líquido para vapor causa uma expansão do fluido no interior de uma turbina para produzir torque mecânico Além disso ressaltase que as máquinas térmicas operam ciclicamente Quando o fluido de trabalho não passa por um ciclo termodinâmico embora passe por um mecânico temse uma operação em ciclo aberto em que o estado termodinâmico inicial é diferente do final Entretanto quando o fluido de trabalho sofre uma série de processos mas retorna ao estado inicial temse uma operação em ciclo fechado GUILHERME 2017 A grande diversidade da geração termelétrica está principalmente nos combustíveis utilizados que compreendem uma variada gama de recursos energéticos primários não renováveis e renováveis A maioria dos combustíveis fósseis derivados do petróleo carvão mineral gás natural assim como os nucleares elementos radioativos urânio tório plutônio etc é classificada como fonte primária não renovável devido ao tempo para reposição pela natureza Outros são classificados como fontes renováveis como a biomassa advinda de plantações manejadas florestas energéticas e o bagaço de canade açúcar por exemplo porque são repostos pela natureza em pouco tempo REIS 2011 Neste cenário os principais combustíveis aplicados nas centrais a vapor são o óleo o carvão a biomassa madeira bagaço de cana lixo etc e derivados de petróleo Os principais combustíveis usados nas máquinas térmicas a gás são o gás natural e o óleo diesel No caso da central nuclear o urânio enriquecido se destaca As centrais a vapor a gás e nucleares formam os grandes grupos de centrais termelétricas No quesito emissão de gases de efeito estufa derivados do petróleo e carvão mineral se destacam como os maiores poluidores U2 Geração de energia elétrica 100 A Tabela 23 apresenta qualitativamente e de maneira sucinta os principais impactos causados principalmente pela queima desses dois combustíveis Fonte adaptada de Reis 2011 p 179184 Tabela 23 Impactos ambientais de centrais termelétricas Efl uentes aéreos Dióxido de carbono CO2 óxido de enxofre SO cinzas material particulado óxidos de nitrogênio NOx Monóxido de carbono e hidrocarbonetos Efl uentes líquidos Sistema de Refrigeração elevação de temperatura do efl uente fi nal em relação ao captado pode afetar a fauna e a fl ora local Sistema de Tratamento da Água produ tos químicos poluidores do lençol freático são utilizados para desmineralizar a água utilizada para produção de vapor Líquidos para Limpeza de Equipamentos retira depósitos incrustados que difi cultam as trocas de calor Efl uentes sólidos Cinzas e poeiras Quanto às usinas nucleares os impactos ambientais se destacam principalmente quanto à contaminação pelos rejeitos radioativos que permanecem nocivos por milhares de anos Sendo assim os riscos maiores estão no descarte desses rejeitos que devem ser armazenados em recipientes de chumbo ou concreto e monitorados constantemente e também na contaminação derivada de acidentes e vazamentos tais como em Chernobyl 1986 e Fukushima 2011 Assimile As centrais termelétricas de maneira geral causam diversos impactos ambientais principalmente porque operam por meio da queima de combustíveis em sua maioria derivados de petróleo ou carvão mineral No quesito das etapas de transformação dos fluidos entre estado líquido e gasoso ou vapor princípios de transformações isotérmicas isobáricas e adiabáticas devem ser revisitados Pesquise mais De acordo com os princípios da Termodinâmica há várias formas de realizar transformações gasosas Em uma transformação isotérmica a temperatura T permanece constante havendo variação na pressão P e U2 Geração de energia elétrica 101 no volume V Em uma transformação isobárica P é constante havendo uma variação diretamente proporcional entre V e T Em uma expansão adiabática quando V aumenta P e T diminuem e em uma contração adiabática quando V diminui P e T aumentam Uma característica das transformações adiabáticas é que não há trocas de calor com o meio externo Q 0 Para mais informações consulte capítulos 18 19 e 20 de Halliday Walker e Resnick 2012 No quesito de geração de potência e de energia por centrais termelétricas um sistema térmico ideal sem perdas produz energia de acordo com a seguinte expressão P m h h 1 2 sendo P a potência disponível em kW m a massa de fluido sendo transformado ao longo do tempo em kgseg e h a entalpia específica do fluido em kJkg de modo que h1 e h2 são as entalpias na entrada e na saída da máquina respectivamente Para um sistema térmico real com perdas P m h h η 1 2 sendo η o rendimento da máquina Assimile Na prática as variáveis usualmente medidas para quantificar a geração de potência e de energia por centrais termelétricas são a pressão P e a temperatura T Principais tipos de Centrais Termelétricas e princípios de funcionamento Nesse cenário portanto os principais tipos de centrais termelétricas de interesse nesse material serão apresentados sendo eles as centrais a vapor não nucleares e nucleares as centrais a gás e as centrais a diesel a Centrais a vapor não nucleares são caracterizadas por operarem tanto em ciclo aberto quanto em ciclo fechado Para a operação em ciclo aberto somente o vapor é utilizado no processo Em ciclos fechados utilizase um ou mais fluidos em ciclos superpostos O ciclo teórico de funcionamento das termelétricas a vapor baseia se no ciclo de Carnot conforme Figura 29 U2 Geração de energia elétrica 102 Fonte MSPC 2008 Figura 29 Ciclo de Carnot Pesquise mais Mais detalhes a respeito da máquina de Carnot podem ser consultados em MSPC 2008a Disponível em httpwwwmspcengbrtermo termod0510shtml Acesso em 11 jul 2017 Da Figura 29 temos que Q e W correspondem respectivamente ao calor cedido e ao trabalho realizado e considerando T T T Q 2 3 temperatura da fonte quente e T T T F 4 1 temperatura da fonte fria temos a eficiência do processo como η 1 T T F Q O ciclo de Carnot entretanto é uma situação ideal Processos reais não são isotérmicos ou adiabáticos perfeitos Refl ita Os trechos 34 e 12 do ciclo de Carnot mostram que água e vapor estariam presentes simultaneamente tanto na turbina quanto na bomba reduzindo portanto a vida útil e a eficiência mecânica do processo Sendo assim será que a eficiência dessa máquina seria das melhores considerando que há pequenas diferenças de temperatura na região de vapor saturado Na prática todavia o princípio de funcionamento baseiase no ciclo de Rankine Vale ressaltar que fazendo uma analogia do ciclo de Carnot será apresentado a seguir o esquema de funcionamento de termelétricas a vapor sem e com superaquecimento do vapor conforme Figuras 210 e 211 respectivamente U2 Geração de energia elétrica 103 Fonte MSPC 2008 Fonte MSPC 2008 Figura 210 a Esquemático de termelétrica a vapor sem superaquecimento e respectivo b Diagrama Temperatura T x Entropia S no Ciclo de Rankine Figura 211 a Esquemático de termelétrica a vapor com superaquecimento e respectivo b Diagrama Temperatura T x Entropia S no Ciclo de Rankine a a b b Da Figura 210 é possível observar que a modificação básica em relação ao ciclo ideal de Carnot do tópico anterior é o deslocamento do final da condensação ponto 1 para a linha de equilíbrio água vapor Nessa hipótese a bomba trabalha apenas com líquido o que é positivo em termos operacionais embora a turbina continue operando com água e vapor não desejável Em suma Ciclo de Rankine sem superaquecimento do vapor 12 Bombeamento adiabático reversível dQ 0 23 Troca de calor à pressão constante na caldeira 34 Expansão adiabática reversível na turbina dQ 0 41 Troca de calor à pressão constante no condensador Uma forma possível de aumentar a eficiência do processo é aumentar T3 deslocando também o T4 mais à direita reduzindo assim o teor de água no processo Para tal instalar um dispositivo de superaquecimento na saída da caldeira é a alternativa Assim as termelétricas a vapor com superaquecimento propostas e mostradas na Figura 211 U2 Geração de energia elétrica 104 Ciclo de Rankine com superaquecimento do vapor 12 Trabalho consumido pela bomba ideal sendo w h h 12 1 2 23 Calor fornecido pela caldeira sendo Q h h 23 3 2 34 Trabalho fornecido pela turbina ideal sendo w h h 34 3 4 41 Calor cedido pelo condensador sendo Q h h 41 1 4 Eficiência do ciclo η w w Q h h h h h h 34 12 23 3 4 1 2 3 2 Os estudos mostrados anteriormente ainda são ideais porque não consideraram perdas na tubulação e no condensador por atrito e transferência de calor para o meio que os envolvem perdas de carga na caldeira e perdas na turbina e na bomba devido ao rendimento desses elementos b Centrais a vapor nucleares as tecnologias utilizadas em reatores modernos são bastante seguras e confiáveis As tecnologias de reatores nucleares consideradas neste livro didático as mais comuns portanto são apresentadas a seguir i Reatores a água leve LWR Light Water Reactor são aplicados a mais de 75 de todas as usinas nucleares em operação no mundo por se tratarem de uma tecnologia bem econômica Sendo assim as PWR Pressurized Water Reactor surgiram como um aperfeiçoamento das LWR pois fazem uso de técnicas que possibilitam produzir mais potência elétrica por unidade de reator uma PWR produz 1400 MWe por unidade de reator enquanto uma LWR apenas 900 MWe ii Reatores a água pesada HWR Heavy Water Reactor são aplicados a aproximadamente 8 das usinas ao redor do mundo Tratase também de um reator econômico e possui uma base regulatória e de infraestrutura muito bem estabelecida em países como Canadá Argentina e Índia Reatores a tubos de pressão e a vasos de pressão surgiram como variantes adaptações das HWR As usinas HWR são limitadas a produzir até 900 MWe por unidade de reator sendo que o seu tamanho físico é o principal limitador do aumento dessa capacidade iii Reatores superregenerados rápidos Fast Breeder Reactors ou reatores refrigerados a metal líquido é uma tecnologia que não se destaca tanto principalmente por causa da crescente disponibilidade de urânio a custos competitivos Todavia essa tecnologia merece destaque dentre as nucleares porque ela possui um rendimento U2 Geração de energia elétrica 105 bastante acima das demais formas que fazem uso de urânio para produção de energia elétrica Exemplifi cando Na usina nuclear de Angra dos Reis Angra I foi utilizado um reator nuclear com as seguintes características refrigerado e moderado a água leve pressurizada PWR pastilhas de urânio enriquecidas a 3 são o combustível 1876 MW de potência térmica gerador turbo de 1800 rpm e 857 MW de capacidade instalada e seu condensador usa água do mar em circuito aberto c Centrais a gás esse tipo de central trabalha tanto em circuito aberto como em circuito fechado Nesse cenário há dois tipos de turbina a gás sendo eles Turbinas aeroderivativas circuito aberto são compactas e de peso reduzido sendo indicadas para operação de pico ou regime de emergência são baseadas em turbinas de aviões e Turbinas industriais circuito fechado são muito resistentes e robustas sendo indicadas para operação na base As turbinas a gás de modo geral ainda possuem uma série de desafios tecnológicos tais como altas temperaturas são necessárias para um rendimento razoável há uma limitação de potência devido a um excessivo número de estágios do turbocompressor só mais recentemente se melhorou o rendimento dos turbo compressores até 85 Nos casos das turbinas a circuito fechado essas operam a temperaturas altíssimas por volta de 1260 C superior às turbinas a vapor cerca de 540 C Essas últimas como foco do nosso estudo têm seu princípio de funcionamento baseado no ciclo de Brayton A Figura 212 ilustra um esquemático de uma central termelétrica a gás Fonte MSPC 2007 Figura 212 Esquemático de termelétrica a gás U2 Geração de energia elétrica 106 Da Figura 212 temse que Ciclo de Brayton 12 Compressão adiabática do ar 23 Aquecimento e expansão isobárica do ar na câmara de combustão 34 O ar aquecido movimenta uma turbina num processo adiabático 41 Resfriamento e contração isobárica do ar com o ambiente Obs Os processos 23 e 41 ocorrem sob pressão hipoteticamente constante devido a aspectos construtivos da câmara que oferecem pouca resistência ao ar Na Figura 213 são apresentados os diagramas Pressão P x Volume V e Temperatura T x Entropia S para o ciclo de Brayton facilitando o entendimento da Figura 212 e seu processo de funcionamento Fonte MSPC 2007 Figura 213 Diagramas a Pressão x Volume e b Temperatura x Entropia no Ciclo de Brayton a b U2 Geração de energia elétrica 107 Fonte MSPC 2007 Figura 214 Curva aproximada de eficiência do ciclo de Brayton Da Figura 213 temse que a eficiência do processo pode ser quantificada pela seguinte equação η 1 1 4 3 1 2 1 T T P P k k sendo k c c p v a relação de calores específicos a pressão cp e volume cv constantes Exemplifi cando A Figura 214 ilustra como se comporta a eficiência do ciclo de Brayton A Figura 214 indica que quanto maior a relação P P 2 1 maior a eficiência Se por exemplo P P 2 1 10 então η 50 Se P P 2 1 35 então η 60 d Centrais a diesel essas centrais são tipicamente utilizadas para fornecer energia para sistemas isolados que operem isoladamente por determinado período de tempo Seu uso portanto é comum em regiões afastadas de grandes centros de consumo onde há acesso à geração convencional ex Amazônia Rondônia etc ou em hotéis hospitais shoppings e outros empreendimentos usualmente de grande porte que fazem uso desses geradores em horas de pico e em caso de emergência falta de energia por parte da concessionária Os valores de potência das centrais a diesel não ultrapassam 40 MW logo são limitadas com relação à potência fornecida Além disso ruído vibração dificuldade de aquisição de peças de reposição e os altos custos do combustível são fatores desvantajosos à sua aplicação Suas vantagens por outro lado referemse à simplicidade de operação a facilidade de manutenção e a capacidade de atuar rapidamente em uma eventual entrada de carga U2 Geração de energia elétrica 108 e Ciclo combinado tratase de um processo que recupera o calor dos gases expelidos da turbina a gás para acionar uma turbina a vapor incorporando deste modo tanto o ciclo de Brayton quanto o ciclo de Rankine Nesse processo a eficiência global é maior do que quando se consideram apenas os processos de maneira individual Sendo assim estimase que o ciclo combinado tenha uma eficiência de 60 enquanto que ciclo simples seria de 30 REIS 2011 Sem medo de errar Retomamos nossa proposta em que você é o gestor técnico da EPE Nesta etapa você irá produzir a última seção de sua responsabilidade que constará no relatório final do BEN analisando qual será o papel das centrais termelétricas na conjuntura nacional prevista para os próximos 20 anos Vale ressaltar que em sua análise não podemos dissociar o fato de que é previsto um aumento de demanda de 45 ao ano até 2030 em média Nesse cenário portanto sugerese que você explique em seu relatório os seguintes tópicos 1 a importância das centrais termelétricas na matriz elétrica nacional nas próximas duas décadas 2 os fatores que serão determinantes para que haja uma maior menor adoção de centrais termelétricas e 3 como lidar com os impactos ambientais resultantes dessa forma de geração Sabemos que a expansão da matriz elétrica nacional ainda está baseada na filosofia da geração centralizada ou seja a construção de mais hidrelétricas e termelétricas deve ser prevista para as próximas décadas A justificativa disso é pautada basicamente em dois quesitos Da operação como estamos tratando especificamente das termelétricas nesta seção é importante conhecer o princípio de funcionamento das turbinas termelétricas para compreender os seus benefícios Observe que as turbinas termelétricas para produzir eletricidade realizam a queima de um combustível para a transformação de energia térmica em mecânica para por fim terse a produção de energia elétrica Note também que a potência útil gerada pelas turbinas depende essencialmente da temperatura e da pressão do fluido que realiza trabalho Tais variáveis podem ser controladas por um centro de operação de modo que o montante de energia produzido U2 Geração de energia elétrica 109 pode ser despachado com precisão suficiente a garantir que a quantidade de energia demandada não esteja em descasamento com a ofertada viabilizando a manutenção da frequência e dos níveis de tensão do sistema como um todo e aumentando a sua estabilidade Do planejamento de expansão como as centrais termelétricas podem ser acionadas por uma variedade de combustíveis óleo biomassa gás natural urânio petróleo carvão etc diferentemente da energia hidráulica que só opera em períodos em que não há estiagem a energia termelétrica pode ser aproveitada sob diferentes circunstâncias e independentemente de fatores climáticos o que adiciona a ela uma característica associada ao aumento da segurança energética nacional No entanto um quesito negativo é o impacto socioambiental causado Na Europa EUA e China por exemplo regiões do globo terrestre cuja matriz elétrica ainda é predominantemente termelétrica há uma incidência muito alta de efluentes aéreos gases de efeito estufa que prejudicam a qualidade do ar a saúde dos habitantes e a camada de ozônio Os seus efeitos vêm sendo sentidos desde a Revolução Industrial e são reconhecidos pela comunidade científica como um dos grandes responsáveis pelas recentes mudanças climáticas e desastres naturais Por esse motivo então profundas transformações vêm ocorrendo no setor elétrico nos últimos anos principalmente no que se refere à aposentadoria das termelétricas a carvão e substituição por outras formas de energia limpas e renováveis Outro quesito negativo das termelétricas referese ao custo do combustível No Brasil a energia termelétrica é consideravelmente mais cara que a energia hidráulica por isso gerenciar adequadamente os recursos energéticos nacionais e diversificar a matriz é de crucial importância Por fim no caso das usinas nucleares recentemente tivemos o desastre nuclear de Fukushima que acendeu um alerta mundial a respeito do uso das centrais termelétricas que fazem uso de combustível nuclear Considerando os quesitos positivos e negativos estimase que as centrais termelétricas ainda terão vida por mais algumas décadas na matriz elétrica nacional de modo que elas continuarão a ser importantes para a segurança energética e para a estabilidade do sistema U2 Geração de energia elétrica 110 Caro gestor que outros aspectos você consideraria na finalização do seu relatório Com a apresentação da sua análise de acordo com a linha de raciocínio traçada portanto você seria capaz de finalizar com sucesso essa etapa do seu relatório Agora elabore com as suas palavras o seu relatório completo contemplando todos os aspectos aqui abordados e complemente com o que julgar importante Esperamos que você tenha gostado de aprender mais sobre geração de energia elétrica Bons estudos Avançando na prática Termelétrica a ciclo combinado Descrição da situaçãoproblema Caro aluno suponha que você é o engenheiro líder de uma equipe e foi contratado para projetar a obra da maior usina de ciclo combinado do Brasil Para tal você tem o dever de apresentar um diagrama esquemático da sua usina de ciclo combinado com os seus respectivos componentes Caro engenheiro como você resolveria essa tarefa Resolução da situaçãoproblema Analisando primeiramente a definição de ciclo combinado tem se que este se trata de um processo que recupera o calor dos gases expelidos da turbina a gás ciclo de Brayton para acionar uma turbina a vapor ciclo de Rankine Deste modo incorporando o diagrama esquemático de ambos os ciclos Brayton e Rankine de maneira que o segundo aproveite os gases expelidos pelo primeiro temos conforme Figura 215 a seguinte configuração Fonte Reis 2012 p 28 Figura 215 Geração termelétrica a ciclo combinado U2 Geração de energia elétrica 111 Fonte adaptado de Reis 2012 p 28 Quadro 21 Componentes de uma central termelétrica a ciclo combinado Os elementos ilustrados na Figura 215 são definidos a seguir Assim a partir da montagem do diagrama esquemático da sua usina de ciclo combinado você engenheiro finaliza sua tarefa Sendo assim você e sua equipe agora são capazes de compreender com clareza como se dará o aproveitamento energético dos gases quentes do ciclo de Brayton para o ciclo de Rankine Faça valer a pena 1 A produção da energia térmica pode se dar pela transformação da energia química dos combustíveis por meio do processo da combustão ou da energia nuclear dos combustíveis radioativos com a fissão nuclear Centrais com geração baseada em combustão são denominadas de centrais termelétricas Centrais com geração baseada em fissão nuclear são denominadas centrais nucleares Nesse cenário com base nos combustíveis tipicamente utilizados por usinas a gás e a vapor assinale a afirmativa abaixo que classifica um combustível típico de usinas a gás a Carvão mineral b Carvão vegetal 2 As centrais a vapor podem trabalhar tanto em ciclo aberto como em ciclo fechado A operação em ciclo aberto é comum quando se pretende utilizar calor vapor para o processo Na operação em ciclo fechado se trabalha com um ou mais fluidos por meio da superposição de ciclos A figura a seguir ilustra o princípio de funcionamento ciclo de Rankine de uma central a vapor sem reaquecimento c Óleo diesel d Biomassa e Petróleo U2 Geração de energia elétrica 112 Fonte MSPC 2008 Fonte Lora e Nascimento 2004 p 715 Figura 29 Ciclo de Carnot Figura 216 Usina termelétrica a ciclo combinado As variáveis Q e W correspondem respectivamente ao calor cedido ao vapor e ao trabalho realizado De acordo com a figura acima uma expansão adiabática ocorre em qualis etapas de funcionamento do ciclo de Rankine a 14 e 23 b 12 e 34 c 34 3 A geração de energia elétrica a partir de usinas termelétricas ganhou espaço no parque gerador brasileiro nos últimos anos A tecnologia a ciclo combinado na qual sistemas de geração a gás e vapor operam em conjunto tem sido empregada nessas usinas A figura a seguir apresenta um esquema simplificado do princípio de funcionamento de uma usina termelétrica a ciclo combinado d 12 e 23 U2 Geração de energia elétrica 113 No ciclo de Rankine da Figura 215 assuma que k 1 4 e P P 2 1 25 sendo a eficiência do processo dada por 1 1 η 4 3 1 2 1 T T P P k k onde k c c p v é a relação de calores específicos a pressão cp e volume cv constantes Com base na figura assinale a alternativa que corretamente corresponde aos elementos indicados pelas letras G H e J e que corretamente determina o valor da eficiência do processo no ciclo de Rankine a G admissão H turbina a vapor J evaporador η maior que 55 b G condensador H bomba de circulação J evaporador η menor que 55 c G compressor H turbina a gás J torre de resfriamento η maior que 55 d G compressor H turbina a vapor J condensador η maior que 55 e G turbina a vapor H condensador J evaporador η menor que 55 U2 Geração de energia elétrica 114 Referências ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica Petróleo o uso de derivados de petróleo na geração de eletricidade Disponível em httpwww2aneelgovbraplicacoesatlas petroleo73htm Acesso em 11 jul 2017 Energia hidráulica tecnologias de aproveitamento Disponível em http www2aneelgovbraplicacoesatlasenergiahidraulica44htm Acesso em 11 jul 2017 Micro e minigeração distribuída sistema de compensação de energia elétrica 2 ed Brasília ANEEL 2016 Disponível em httpwwwaneelgovbr documents65687714913578CadernotematicoMicroeMinigeraC3A7C3A3 oDistribuida2edicao716e8bb283b848e9b4c8a66d7f655161 Acesso em 11 jul 2017 CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica Fontes Disponível em httpswwwcceeorgbrportalfacespagespublicoondeatuamosfontes afrLoop418139441729364403FafrLoop3D41813944172936426adfctrl state3Dai48hyopx4 Acesso em 11 jul 2017 ELETRONORTE Usina Hidrelétrica de Tucuruí Disponível em httpcidadedetucurui cominiciousinahidreletricatucuruiUSINAHIDRELETRICATUCURUIhtm Acesso em 11 jul 2017 EMAE Empresa Metropolitana de Águas e Energia SA Usina Hidroelétrica Henry Borden Disponível em httpemaecombrconteudoaspidUsinaHidroeletrica HenryBorden Acesso em 11 jul 2017 EPE Empresa de Pesquisa Energética Balanço Energético Nacional 2016 síntese do relatório final Rio de Janeiro EPE 2016 Disponível em httpsbenepegov brBENRelatorioSinteseaspxanoColeta2016anoFimColeta2015 Acesso em 11 jul 2017 GUILHERME A Máquinas térmicas introdução Disponível em httpwww antonioguilhermewebbrcomArquivosmaqtermicaphp Acesso em 11 jul 2017 HALLIDAY D WALKER J RESNICK R Fundamentos de física gravitação ondas e termodinâmica 9 ed Rio de Janeiro LTC 2012 v 2 INEE Instituto Nacional de Eficiência Energética O que é geração distribuída Disponível em httpwwwineeorgbrforumgerdistribasp Acesso em 11 jul 2017 LORA E E S NASCIMENTO M A R Geração termelétrica planejamento projeto e operação v 2 Rio de Janeiro Editora Interciência 2004 MELLO A 2005 Tipos de Turbinas Hidráulicas Aplicadas às Pequenas Mini e Microcentrais Hidráulicas Notas de aula do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Mackenzie Disponível em httpmeusitemackenziecombrmellojr U2 Geração de energia elétrica 115 Acesso em 08 jun 2017 MME Ministério de Minas e Energia Brasil lança Programa de Geração Distribuída com destaque para a energia solar Disponível em httpwwwmmegovbrweb guestpaginainicialoutrasnoticasassetpublisher32hLrOzMKwWbcontent programadegeracaodistribuidaprevemovimentarr100bieminvestimentos ate2030 Acesso em 11 jul 2017 MODESTO A M Apostila referente à geração transmissão e distribuição de energia elétrica Curso promovido pela Universidade Paulista UNIP São Paulo maio de 2011 MSPC 2007 Termodinâmica V30 introdução ciclo de Brayton Disponível em http wwwmspcengbrtermotermod0530shtml Acesso em 11 jul 2017 MSPC 2008 Termodinâmica V40 introdução ciclo de Rankine Disponível em httpwwwmspcengbrtermotermod0540shtml Acesso em 11 jul 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biomassa carvão nuclear EPE Empresa de Pesquisa Energética Rio de Janeiro 2016 VOITH Hydro Power Generation 2005 KaplanTurbin vert Schema Disponível em httpscommonswikimediaorgwikiFileSvskaplanschnitt1zoomjpg Acesso em 8 jun 2017 Unidade 3 Transmissão de energia elétrica Convite ao estudo Caro aluno até o presente momento foram apresentados a você os fundamentos dos sistemas elétricos de potência bem como os sistemas de geração de energia elétrica Nesta terceira unidade portanto aprofundaremos nosso estudo na temática de linhas de transmissão de energia elétrica apresentando tanto os tipos de condutores e estruturas utilizados nesses sistemas como os procedimentos de rede no Brasil Os cálculos de parâmetros técnicos como resistências indutâncias e capacitâncias também serão apresentados assim como os modelos matemáticos que representam esses elementos nos sistemas elétricos de potência tais modelos são importantíssimos para avaliar a operação das redes de transmissão Na primeira seção desta unidade abordaremos os conceitos básicos de sistemas de transmissão de energia elétrica destacando principalmente o funcionamento de linhas de transmissão e seus principais componentes torres isoladores e condutores O conhecimento desses conceitos permite a compreensão de todos os elementos no que se refere à capacidade de transporte da energia e as principais causas de perdas de energia elétrica nesse transporte Na segunda seção por sua vez você será introduzido às formas de determinação de parâmetros de linhas de transmissão o que inclui o cálculo de resistência indutância e capacitância de linhas Essa seção é fundamental para a elaboração de projetos de linhas de transmissão Na terceira seção por fim apresentaremos a modelagem de linhas de transmissão e a representação dessas linhas em modelos de circuitos elétricos destacando que os modelos podem ser diferentes dependendo do comprimento da linha curtas médias e longas O efeito corona e os principais fatores U3 Transmissão de energia elétrica 118 que determinam o custo do transporte da energia elétrica também serão discutidos Neste contexto suponha que você é um engenheiro projetista de linhas de transmissão e que trabalha em uma empresa de projetos O governo federal anunciou uma licitação para o projeto de uma linha que transmitirá energia no SIN para diversos centros consumidores na região amazônica Você como um especialista sabe que é um desafio projetar e executar a obra de instalação de linhas de transmissão que cruzam rios caudalosos e mata densa Todavia como você é um engenheiro preparado para desafios você contatou o seu gestor e solicitou que a empresa participasse da licitação e vocês a venceram Para a execução desse projeto portanto é essencial que você conheça as especificidades do dimensionamento de linhas de transmissão LTs no que se refere a listar e definir todos os itens necessários das etapas de projeto a calcular os parâmetros das LTs a serem projetadas e a analisar os fatores que determinarão o custo do transporte dessa energia Você também precisará no contexto desse projeto dimensionar uma linha de transmissão rural monofásica Por fim você foi convidado para apresentar o projeto para os acionistas da empresa que também desejam aprofundar seus conhecimentos sobre o SIN e o impacto de sua adoção para os negócios da empresa Esperamos que você esteja entusiasmado com esse desafio Bons estudos e ótimo trabalho U3 Transmissão de energia elétrica 119 Seção 31 Introdução aos sistemas de transmissão de energia elétrica Caro aluno nesta seção você será introduzido aos fundamentos dos sistemas de transmissão de energia elétrica no contexto dos sistemas elétricos de potência SEPs Além disso serão apresentados os principais componentes desses sistemas torres condutores e isoladores juntamente com diversas características de cada dimensão forma materiais utilizados na confecção arranjo topológico típico etc O conteúdo apresentado portanto é muito relevante na formação do engenheiro principalmente porque trata de aspectos não apenas teóricos mas também construtivos das linhas de transmissão que são tão importantes na cadeia de fornecimento de energia elétrica Retomando o cenário em que você é um engenheiro projetista de linhas de transmissão no qual a empresa que você trabalha venceu a licitação para a execução de um projeto na região amazônica para transportar grandes montantes de energia em uma distância de 1500 km suponha que você será o encarregado de coordenar a execução desse projeto Para tal é necessário que você elabore as diretrizes do serviço a ser prestado especificando em detalhes as etapas do projeto Para iniciar a sua tarefa portanto elabore uma lista dos itens que a empresa deverá definir no projeto da linha de transmissão em questão e descreva esses itens esclarecendo a importância de cada um Tendo em vista as características geográficas e topológicas do projeto pelo qual você é responsável que desafios você deverá estar preparado para enfrentar em cada um dos itens citados Caro engenheiro vamos nos preparar para resolver essa tarefa Dediquese aos estudos e bom trabalho Diálogo aberto U3 Transmissão de energia elétrica 120 Não pode faltar Estudamos na última unidade na cadeia de fornecimento da energia elétrica a geração de energia elétrica pela qual a produção de enormes montantes de energia ex centrais hidrelétricas e termelétricas normalmente instaladas a grandes distâncias dos centros consumidores percorrem de dezenas a milhares de quilômetros até os consumidores finais Esse caminho que a energia percorre até os centros consumidores engloba os sistemas de transmissão de energia elétrica Os sistemas de transmissão de maneira geral constituemse de linhas de transmissão LTs sistemas de proteção relés disjuntores etc e subestações de modo que as LTs são constituídas de cabos condutores de isoladores e ferragens de torres e de cabos pararaios também conhecidos como cabos de guarda TECNOGERA 2017 FUCHS 1977 O número de circuitos de uma LT pode ser simples duplo ou múltiplo e a disposição dos condutores triangular vertical ou horizontal conforme Figura 31 Fonte Pinto 2014 p 88 Figura 31 Torres de transmissão com disposição dos condutores a triangular b vertical e c horizontal sendo a e c de circuito simples e b duplo U3 Transmissão de energia elétrica 121 Tabela 31 Classificação das Linhas de Transmissão Vale ressaltar que as torres do sistema de transmissão sempre terão 3 ou 6 condutores ou conjuntos de condutores pois tais redes são tipicamente trifásicas Nesta seção o estudo das características físicas das LTs será voltado para as linhas aéreas de transmissão as mais comuns porém saiba que existem também as linhas com cabos subterrâneos e até as linhas com cabos submarinos e estas não serão o foco deste material Sendo assim a classificação das LTs é apresentada na Tabela 31 PINTO 2014 Fonte adaptada de Pinto 2014 p 65 Quanto aos níveis de tensão Transmissão 750 500 230 138 e 69 kV Subtransmissão 138 69 e 345 kV Quanto ao comprimento L Curtas L 80 km Médias 80 L 249 km Longas L 249 km Quanto às condições gerais de fornecimento Subgrupo A1 tensão igual ou superior a 230 kV Subgrupo A2 tensão de 88 a 138 kV Subgrupo A3 tensão de 69 kV Subgrupo A3a tensão de 30 a 44 kV Subgrupo A4 tensão de 23 a 25 kV Subgrupo AS tensão inferior a 23 kV atendida em sistema subterrâneo Da Tabela 31 sabese que os subgrupos A1 e A2 são os que compõem o que conhecemos como rede básica ou SIN Sistema Interligado Nacional Como no transporte da energia sistemas de transmissão e de distribuição de energia há uma série de transformações elevações e abaixamentos de níveis de tensão é importante que você se familiarize com os termos baixa tensão BT ou LV do inglês para valores inferiores a 1 kV média tensão MT ou MV do inglês para valores entre 1 e 50 kV alta tensão AT ou HV do inglês para valores U3 Transmissão de energia elétrica 122 entre 50 e 230 kV extraalta tensão EAT ou EHV do inglês para valores entre 230 e 750 kV e ultraalta tensão UAT ou UHV do inglês para valores acima de 750 kV Nos sistemas de transmissão os níveis de tensão são elevados apropriadamente principalmente com base na distância percorrida e no montante de energia a ser transportado de modo que se evite ao máximo as perdas elétricas ao longo do transporte dessa energia Em outras palavras as tensões são elevadas para valores compatíveis que melhor atendam o compromisso de custos dos equipamentos que condicionam e transportam a energia e custo das perdas elétricas envolvidas Vale lembrar que os níveis de tensão nas redes de transmissão devem ser elevados porque reduzem as perdas elétricas de acordo com a associação da Lei de Ohm V Z I com o cálculo de potência ativa P V I cosϕ sendo V a tensão Z a impedância I a corrente ϕ o ângulo de fase defasagem angular entre V e I Logo substituindo a Lei de Ohm no cálculo da potência têmse que Perdas Z I I Perdas Z I cos cos ϕ ϕ 2 Por fim como Z tipicamente é um parâmetro constante associado à impedância dos cabos o aumento de V implica redução de I e consequentemente redução de perdas ativas Assimile As perdas são diretamente proporcionais ao quadrado da corrente que flui no condutor elétrico Perdas I 2 Cabos condutores Os condutores constituem os elementos ativos propriamente ditos da LT É por meio deles que se realiza o processo de transmissão de energia elétrica Esses devem possuir características especiais para se obter um bom desempenho com custo adequado como Alta condutividade elétrica baixa perda por efeito Joule Boa resistência mecânica e baixo peso específico Alta resistência à oxidação e à corrosão por agentes químicos poluentes Baixo custo do investimento e de manutenção U3 Transmissão de energia elétrica 123 No atendimento das condições acima o cobre e o alumínio são os metais que possuem o maior número dessas propriedades Atualmente o alumínio é o mais usado por ser mais leve e mais barato que o cobre desde 1908 com a invenção do cabo de alumínio com alma de aço As normas NBR 53691971 e NBR 72701998 especificam os cabos de alumínio CA e os cabos de alumínio com alma de aço CAA para fins elétricos com referência comercial no Brasil igual à adotada na codificação canadense que identifica cada família CA ou CAA a seção e formação do condutor A utilização de condutores múltiplos teve início em 1950 na Suécia e em seguida em outros países A aplicação de condutores múltiplos ou feixe de condutores por fase nas LT é feito para a redução do gradiente de potencial nas superfícies dos condutores É comum dois ou quatro cabos por feixe de condutores por fase FUCHS 1977 No Brasil os cabos ACSR do inglês Aluminum Conductor Steel Reinforced são os mais frequentemente usados nas linhas de transmissão São também chamados de CAA alumínio com alma de aço tendo o núcleo feito de aço galvanizado e uma camada externa de alumínio Diferentes combinações de aço e alumínio proporcionam uma melhor resistência do cabo contra cargas de ruptura não prejudicando a sua ampacidade máxima capacidade de condução da corrente Há diversas classificações para os cabos os mais usuais em linhas de transmissão são PINTO 2014 a AAC all aluminium conductor composto por vários condutores de alumínio encordoados b AAAC all aluminium alloy conductor composto por ligas de alumínio de alta resistência Tem a menor relação pesocarga de ruptura e as menores flechas ie o arco que forma pelo desnível entre os pontos de fixação dos cabos porém é o cabo que apresenta a maior resistência elétrica entre os quatro tipos aqui citados c ACSR aluminium conductor steelreinforced composto por camadas concêntricas de condutores de alumínio sobre uma alma de aço podendo ter um condutor ou diversos A alma de aço procura dar maior resistência mecânica ao cabo d ACAR aluminium conductor aluminium alloy reinforced composição idêntica à dos cabos ACSR fazendo uso porém da U3 Transmissão de energia elétrica 124 alma com condutores de alumínio de alta resistência em vez da alma com cabos de aço tendo como consequência uma relação peso carga de ruptura um pouco maior do que a do cabo ACSR Fonte adaptada de Wikimedia 2013 Figura 32 Condutores a de alumínio com alma de aço ACSR do inglês e b de alumínio com núcleo composto de fibra de carbono ACCC do inglês Isoladores e ferragens Os isoladores fornecem o necessário isolamento entre os condutores de linha de transmissão e as torres evitando qualquer corrente de fuga para o solo Além disso eles também têm a função de sustentar mecanicamente os cabos Geralmente os isoladores precisam ter as seguintes características a Alta rigidez mecânica a fim de resistir à carga do condutor e ao vento b Alta resistência elétrica a fim de evitar correntes de fuga para o solo c Alta permissividade relativa para que a rigidez dielétrica também seja alta d Não porosidade e livre de rachaduras Bons isoladores oferecem uma baixa corrente de fuga a qual pode ocorrer até mesmo por meio da massa do próprio isolador chamada de corrente volumétrica A corrente de fuga entre outras circunstâncias também acontece em situações conhecidas como flashover faíscas quando há a disrupção da rigidez elétrica do ar em que o isolador está imerso gerando um arco elétrico entre o condutor e a estrutura de suporte O material mais comumente usado para os isoladores de linhas de transmissão aéreas é a porcelana Outros materiais como vidro ou U3 Transmissão de energia elétrica 125 Fonte a Eléctric 2017 b Embramat 2017 e c Glassian 2017 Figura 33 Tipos de isoladores a de pino b de disco e c rígido esteatite também são utilizados A porcelana é mecanicamente mais forte do que o vidro e oferece menos problemas de fuga de corrente sendo ainda menos afetada pelas mudanças de temperatura Há diversos tipos de isoladores como os rígidos pino bastão roldana pilar e os de campânula simples Basicamente existem três tipos a De pino porcelana ou vidro geralmente destinados às redes de distribuição de até 345 kV b De disco porcelana ou vidro usados em linhas de alta e extra altatensão c Rígidos fibra de vidro resina epóxi e vários materiais usados em linhas compactas A Figura 33 ilustra os diferentes tipos de isoladores As ferragens por sua vez constituemse de peças que devem suportar os condutores e conectálos às cadeias de isoladores e estas às estruturas das torres As ferragens são compostas dos seguintes dispositivos Grampo de suspensão é responsável por conectar os cabos condutores aos isoladores e evita o esmagamento dos fios que constituem o cabo condutor Anel anticorona é responsável por distribuir o potencial elétrico que se concentra nas arestas ou ângulos das ferragens sendo esse elemento tipicamente instalado na lateral do grampo de suspensão Espaçador é responsável por impedir que diferentes condutores se toquem devido à ação dos ventos por exemplo Amortecedor de vibração é responsável por reduzir a amplitude das vibrações sendo dispositivos instalados a cada 50 ou 60 m U3 Transmissão de energia elétrica 126 Vale ressaltar que projetos de ferragens exigem atenção especial principalmente no que se refere aos efeitos eletromagnéticos e eletrostáticos tais como a rádio interferência e o efeito corona o qual será estudado na Seção 3 desta unidade Torres estrutura As estruturas ou suportes constituem os elementos de sustentação dos condutores da linha aérea de transmissão e elementos associados como isoladores ferragem e cabos pararaios suas dimensões dependem basicamente do número de circuitos distância e disposição dos condutores dimensão e forma dos isoladores flecha dos condutores e da altura de segurança em relação ao solo dos esforços mecânicos originados pelas cargas verticais horizontais transversais e horizontais longitudinais e dos materiais empregados na fabricação da estrutura Nas linhas trifásicas empregamse fundamentalmente três disposições de condutores nas estruturas Disposição triangular os condutores estão dispostos segundo os vértices de um triângulo Disposição vertical os condutores são dispostos no plano vertical muito usado em circuito duplo na LT área urbana Disposição horizontal os condutores são fixados no plano horizontal Sua principal vantagem reside em permitir estruturas de menor altura para um mesmo vão ou distância entre estruturas da LT Classificação das estruturas quanto aos esforços estas podem ser estruturas autoportantes e estruturas estaiadas Quanto à função estruturas de suspensão estruturas de ancoragem estrutura para ângulo estrutura de derivação estrutura de transposição ou rotação de fase Quanto aos materiais usados na fabricação das estruturas Estruturas de madeira atualmente não são usadas de modo que a sua maior aplicação se deu no passado particularmente nos Estados Unidos Estruturas de concreto armado passaram a ter aplicação em grande escala a partir de 1940 e com o maior emprego nas tensões de 69 e 138 KV U3 Transmissão de energia elétrica 127 Estruturas metálicas fabricadas normalmente em aço carbono com galvanização a quente de uso geral com grande aplicação em locais de difícil acesso e nas de tensões acima de 138 KV A Figura 34 ilustra algumas configurações de torres de LTs aéreas a LT 88 kV em circuito simples triangular c LT 440 kV em circuito simples cadeia IVI e LT 230 kV em circuito simples horizontal b LT 440 kV em circuito duplo vertical d LT 440 kV em circuito simples cadeia VVV f LT 440 kV em circuito duplo triangular Fonte Pinto 2014 p88 Figura 34 Algumas configurações de torres de LTs aéreas Fonte adaptada de Pinto 2014 p 8287 U3 Transmissão de energia elétrica 128 Pesquise mais Há uma variedade de configurações de torres de linhas aéreas de transmissão de energia elétrica Para mais possibilidades de arranjo dessas linhas verifique a Figura 415 do Capítulo 4 do livro Energia Elétrica Geração Transmissão e Sistemas Interligados de Milton Pinto Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacom brbooks9788521625261epubcfi638vndvstidrefchapt er04452620311 Acesso em 16 ago 2017 A respeito das torres sabese que a corrente elétrica que flui pelos cabos sustentados por esses elementos produz efeitos eletromagnéticos nas instalações ao redor dependendo das distâncias entre as torres e as instalações A fim de garantir a segurança da operação e limitar as perturbações causadas às instalações próximas portanto determinamse distâncias mínimas entre a rede e as demais instalações Essa distância mínima no entorno da rede é chamada de faixa de servidão ou faixa de segurança e estas são diretamente proporcionais aos níveis de tensão das torres conforme Figura 31 PINTO 2014 Exemplificando No Brasil a norma ABNT NBR 542285 estabelece as diretrizes para se determinar as faixas de servidão sendo que essa faixa é maior quanto maiores forem os níveis de tensão da rede A Figura 35 ilustra alguns valores típicos de faixas de servidão de LTs brasileiras Figura 35 Faixa de servidão ou de segurança no Brasil para torres de 500 230 e 138 kV Fonte Pinto 2014 p 93 U3 Transmissão de energia elétrica 129 Cabos pararaios Esses elementos das LTs são responsáveis por interceptar as descargas atmosféricas e conduzilas para o solo evitando assim prejuízos na operação do sistema Os cabos pararaios são comumente aterrados de duas formas a rigidamente aterrados e b por meio de isoladores de baixa rigidez dielétrica FUCHS 1977 Em a os cabos são eletricamente conectados ao solo diretamente por meio das estruturas das torres metálicas enquanto em b os cabos ficam eletricamente isolados do solo até que um determinado valor de tensão em kV atinja esse isolador ionizando os átomos que compõem esse elemento e fazendo com que ele deixe de ser isolante Neste último caso a eficiência dos cabos de proteção não é afetada e inclusive tal aplicação surgiu com o intuito de utilizar esses cabos pararaios para telecomunicações e telemedições Vale ressaltar que há estudos que determinam critérios para a colocação dos cabos pararaios em LTs pois a sua colocação é o que define o grau de proteção oferecido à linha FUCHS 1977 Todavia para a sua determinação ressaltaremos seis fatores que influenciam na escolha principalmente em cabos de extraaltatensão a desempenho mecânico b atenuação do sinal de comunicação c corrosão d capacidade de suportar correntes de curtocircuito e perdas e f considerações econômicas PINTO 2014 Reflita Sabese que as linhas de transmissão estão constantemente energizadas e que comumente podem ficar em alturas muito elevadas Caro aluno você consegue imaginar como inspeções são realizadas nos condutores a fim de identificar fissuras ou rachaduras É necessário desligar a linha para essa identificação E para a manutenção Qual a importância dessa manutenção Ressalvase que atualmente há projetos que utilizam drones para tal finalidade Por fim ressaltase que nos cabos pararaios são instaladas bolas laranjas denominadas de sinalizadores ou esferas de sinalização aquelas que vemos nas LTs sempre que estamos viajando e sua função é aumentar a segurança contra acidentes de aeronaves com a rede elétrica U3 Transmissão de energia elétrica 130 Sem medo de errar Retomando o cenário em que você é um engenheiro projetista de linhas de transmissão no qual você é o responsável por coordenar a execução de um projeto na região amazônica você foi requisitado primeiramente para elaborar uma lista dos itens necessários ao projeto descrevendo cada um Posteriormente e tendo em vista as características geográficas da região em que a LT será inserida teça comentários a respeito dos desafios a serem enfrentados em cada item Para realizar essa tarefa você precisa seguir as premissas necessárias para a especificação técnica do projeto de linhas de transmissão Para determinar os dimensionamentos de cada item de projeto todavia faremos primeiramente uma análise global a respeito dos pontos que devem ser considerados Classificação da rede definir em qual subgrupo da Resolução ANEEL 4142010 a rede se enquadra e a partir disso listar as regras para sua instalação e operação Faixa de segurança deverão ser feitos os cálculos para definir as medidas da faixa de segurança e com isso fazer o levantamento de imóveis que devem ser desapropriados Tipo de condutores deverá ser definido o tipo e o material dos cabos condutores a serem utilizados fazendose uma análise dos custos e vantagens ou seja uma análise da viabilidade técnica e econômica Tipo de isolador também deverá ser definido o tipo e o material dos isoladores a serem utilizados fazendose uma análise dos custos e vantagens ou seja uma análise da viabilidade técnica e econômica Os isoladores devem ter alta rigidez mecânica a fim de resistir à carga do condutor e ao vento alta resistência elétrica a fim de evitar correntes de fuga para o solo alta permissividade relativa para que a rigidez dielétrica também seja alta e não porosidade e livre de rachaduras Modelo das torres o projeto deverá definir quais serão os modelos de torres a serem utilizadas na rede de transmissão considerando a corrente a tensão e outras definições que tenham sido feitas U3 Transmissão de energia elétrica 131 Especificamente tomando como base que o seu projeto visa transportar grandes quantidades de eletricidade em uma LT longa a uma distância de 1500 km você poderia ser capaz de definir que a classificação da rede se enquadra como do subgrupo A1 assumindo algum valor de tensão de fornecimento igual ou superior a 230 kV A subestação transformadora portanto deverá elevar os níveis de tensão para algum dos valores de extraalta tensão 230 a 750 kV mais provável ou até ultraalta superior a 750 kV Vamos assumir que você foi capaz de determinar com bom compromisso entre perdas elétricas e custos de aquisição de equipamentos instalação e operação o valor de 500 kV Para o valor de tensão especificado portanto a faixa de servidão utilizada poderá ser no valor de 65 m Vale ressaltar que como se trata de um empreendimento instalado em mata densa região amazônica é indispensável que haja o desflorestamento de toda essa área ao longo de toda a extensão da LT a fim de que não haja perturbações tanto da LT para com a sua redondeza e viceversa não afetando assim tanto a segurança da operação da LT assim como a segurança das pessoas e do meio ambiente ao seu redor Os cabos condutores de energia elétrica dessa rede preferencialmente deverão ser de alumínio do tipo CAA alumínio com alma de aço Apesar de esses cabos serem menos eficientes em condução de energia elétrica do que outros ex cabos de cobre essa escolha poderá ser feita levando em consideração que os custos de cabos de alumínio são inferiores aos de cobre e isso inclusive é uma das razões pelas quais estes são os mais usados nas linhas de transmissão brasileiras O cabo CAA ou ACSR do inglês tem o núcleo de aço galvanizado envolto por camadas de fios de alumínio ao redor de seu núcleo Os isoladores basicamente poderão ser de porcelana vidro ou esteatite Todavia como estamos projetando uma linha longa e que está sujeita a rajadas de ventos em toda a sua extensão a opção pela porcelana pode ser mais adequada principalmente porque ela é mais resistente que o vidro e oferece menos problemas de fuga de corrente Além disso como na região amazônica há grandes mudanças de temperatura entre os dias e as noites a porcelana é um material menos afetado pelas mudanças de temperatura Tratase do material mais comumente empregado em isoladores de LTs aéreas U3 Transmissão de energia elétrica 132 Por fim as estruturas das torres poderiam ser metálicas e montadas sobre uma disposição vertical em circuito duplo com 4 condutores por fase em uma cadeira de isoladores com pouco mais de 24 discos Cabos pararaios bem dimensionados são importantíssimos nesse projeto porque o Brasil é recordista em incidência de descargas atmosféricas Caro engenheiro que outras considerações você adicionaria a essa etapa de projeto Com essas especificações você seria capaz de finalizar a sua tarefa Bom trabalho Projeto básico de uma LT curta Descrição da situaçãoproblema Caro aluno entender os conceitos relacionados aos sistemas de transporte de energia elétrica é muito importante quando estamos estudando a eficiência e a qualidade da energia Por isso considere que você é o engenheiro responsável pelo projeto básico de uma rede de transmissão de energia elétrica com tensão de 138 kV e extensão de 75 km que transporta energia de uma usina termelétrica a centros consumidores dentro do estado de São Paulo e passa por dentro de áreas bastante urbanizadas Na primeira fase da elaboração do projeto básico você precisa dar orientações para sua equipe de projeto sobre algumas escolhas e definições que irão balizar todo a execução Para isso irá elaborar um resumo executivo do projeto básico respondendo às perguntas a seguir e justificando cada decisão sua A qual subgrupo essa rede de transmissão pertenceria segundo a classificação da Agência Nacional de Energia Segundo a extensão como seria classificada Os condutores de energia elétrica serão de qual material Quais seriam as distâncias referentes à faixa de segurança da linha de transmissão Caro engenheiro espero que você esteja animado para resolver essa nova tarefa Avançando na prática U3 Transmissão de energia elétrica 133 Resolução da situaçãoproblema Sabendo que a rede de transmissão que está sendo projetada terá 75 km e tensão de 138 kV sendo classificada como do subgrupo A2 tensão de 88 a 138 kV segundo a classificação da ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica Além disso é considerada uma rede curta por ter menos de 80 km Os cabos condutores de energia elétrica dessa rede como se trata de uma rede curta que passa por dentro de áreas urbanas o cabo AAAC all aluminium alloy conductor pode ser uma escolha adequada considerando que estes têm as menores flechas ou seja maiores serão as distâncias para o solo e menor será a influência no que se refere às perturbações em suas redondezas De outro modo a utilização desse cabo pode permitir a construção de uma torre de menor porte mais barata em comparação à utilização de outros cabos Por fim o fato de o ACCC ser um cabo que apresenta maior resistência elétrica este não será um inconveniente já que a energia está sendo transportada a curtas distâncias Como a LT é de 138 kV definiremos a faixa de segurança no entorno da mesma no valor de 30 m sendo cada metade de 15 m a partir da linha central para ambos os lados Isto será o suficiente para mitigar quaisquer perturbações decorrentes dos efeitos eletromagnéticos das LTs nas instalações ao seu redor Assim com as respostas para cada pergunta sua tarefa está cumprida Faça valer a pena 1 No contexto dos sistemas de transmissão de energia elétrica as linhas de transmissão LTs parte fundamental desses sistemas são constituídas basicamente por cabos condutores isoladores e ferragens torres e cabos pararaios Os condutores são os elementos ativos da LT sendo por meio deles que se realiza o processo de transmissão de energia elétrica Os isoladores fornecem o necessário isolamento entre os condutores da linha de transmissão e as torres evitando qualquer corrente de fuga para o solo As ferragens são os conjuntos de peças que devem suportar os condutores e conectálos às cadeias de isoladores e estas às estruturas das torres As estruturas torres constituem os elementos de sustentação dos condutores da linha aérea de transmissão Por fim os cabos pararaios são os elementos das LTs que são responsáveis por interceptar as descargas atmosféricas e conduzilas para o solo evitando assim possíveis prejuízos ao sistema U3 Transmissão de energia elétrica 134 Com base no texto acima e nas partes constituintes das LTs analise as alternativas a seguir e assinale a correta a Os condutores do tipo AAC são compostos por ligas de alumínio de alta resistência e possuem a menor relação pesocarga de ruptura e formam as menores flechas b Os isoladores são considerados ideais quando eles possuem alta rigidez mecânica alta resistência elétrica baixa permissividade relativa não porosidade e estão livres de rachaduras c As ferragens são constituídas de grampos de suspensão anéis anticorona espaçadores e amortecedores de vibração sendo este último responsável por impedir que diferentes condutores se toquem ex devido à ação dos ventos d As estruturas das torres de transmissão podem fazer uso de estruturas de madeira de concreto armado ou de materiais metálicos em sua composição sendo essas classificadas quanto aos esforços em estruturas autoportantes ou em estruturas estaiadas e Os cabos pararaios são comumente aterrados de duas maneiras sendo elas rigidamente aterrados ou por meio de isoladores de alta resistência disruptiva 2 Os condutores em linhas de transmissão LTs são os principais elementos que o constituem principalmente porque são eles que efetivamente conduzem a eletricidade dos grandes centros geradores de energia até os centros consumidores Vale ressaltar que para que esses elementos tenham eficiência no seu papel de conduzir a eletricidade devem possuir algumas características especiais tais como condutividade elétrica resistência mecânica e peso específico resistência à oxidação e à corrosão e custo de investimento e de manutenção A respeito dos condutores em LTs assinale a alternativa que corretamente preenche as lacunas do texto acima a Alta baixa alto alta baixo b Alta alta baixo alta baixo c Baixa baixa alto baixa alto d Baixa alta alto alta baixo e Alta alta alto alta baixo 3 O Ministério do Planejamento do governo federal anunciou em março de 2015 a seguinte notícia Mais de três mil quilômetros de linhas de transmissão de energia do Programa de Aceleração do Crescimento PAC receberam licenças do Instituto Brasileiro do Meio U3 Transmissão de energia elétrica 135 Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis Ibama neste mês de março Juntos os projetos relacionados às licenças concedidas somam investimento de mais de R 35 bilhões do programa A maior delas a linha Miracema Sapeaçu que recebeu Licença de Instalação no último dia 16 terá 1854 quilômetros de extensão e atravessará 47 municípios de Tocantins Maranhão Piauí e Bahia cruzando os rios Tocantins Parnaíba e São Francisco O empreendimento que conta com R 147 bilhão em recursos do PAC permitirá que a região Nordeste receba energia gerada pela Usina Hidrelétrica Belo Monte e faz parte das obras estruturantes que ampliarão para seis mil megawatts a capacidade de transferência de energia para a região Sudeste Também fazem parte deste investimento as seis subestações de energia que esta linha de transmissão interligará sendo que quatro serão ampliadas e duas construídas De acordo com o Ministério de Minas e Energia MME em 2014 foram implantados 8876 quilômetros de novas linhas de transmissão e em 2015 devem ser acrescentados 7120 quilômetros Somente o PAC entre 2011 e 2014 concluiu 51 linhas de transmissão totalizando 15312 quilômetros BRASIL 2015 Fonte httpwwwpacgovbrnoticia3ee196a9 Acesso em 27 out 2017 U3 Transmissão de energia elétrica 136 É sabido que as linhas de transmissão podem assumir uma série de configurações A figura acima ilustra duas configurações possíveis Sendo assim com base na figura assinale a alternativa que corretamente classifica as torres da esquerda e da direita com base na disposição dos condutores e no número de circuitos a Esquerda circuito simples horizontal em cadeia IVI Direita circuito duplo vertical b Esquerda circuito duplo vertical Direita circuito simples horizontal c Esquerda circuito múltiplo horizontal Direita circuito duplo horizontal d Esquerda circuito simples vertical em cadeia VVV Direita circuito duplo vertical e Esquerda circuito simples horizontal Direita circuito duplo vertical U3 Transmissão de energia elétrica 137 Seção 32 Parâmetros de linhas de transmissão Caro aluno na seção anterior você iniciou sua jornada de estudos a respeito das linhas de transmissão LTs Você foi apresentado aos principais componentes de LTs condutores isoladores e estruturas juntamente com diversas características construtivas de cada componente material utilizado nível de tensão suportado etc Assim continuando o seu estudo de LTs nesta seção você aprenderá a projetar LTs por meio da determinação de seus parâmetros elétricos resistência indutância e capacitância Retomando o cenário em que você é um engenheiro projetista de linhas de transmissão que está trabalhando em um grande projeto na região amazônica suponha que você precisa especificar tecnicamente um trecho de uma linha rural monofásica em 60 Hz construída com 2 condutores de cobre maciço nº 6 AWG espaçados entre si de 224 m em cruzeta plana horizontal A Tabela 32 de uma extensa tabela de características de cabos de cobre apresenta alguns exemplos de informações encontradas tanto no padrão AWG American Gauge Wire como no MCM 1000 Circular Mills Diálogo aberto Fonte adaptada de Fuchs 1977 p 554 Tabela 32 Características de cabos de cobre Seção nominal N de fios Raio Médio Geométrico a 60 Hz Corrente máxima a 60 Hz MCM AWG m A 4174 4 3 0002185 180 4174 4 1 0002020 170 2625 6 3 0001731 130 2625 6 1 0001603 120 U3 Transmissão de energia elétrica 138 Para tal você deve ser capaz de especificar os seguintes parâmetros Quais as reatâncias indutivas de condutor e de linha Com apenas essas informações como você faria esse cálculo Considerando agora que você sabe que os condutores estão a uma altura média de 678 m do solo determine portanto o valor da reatância indutiva considerando os efeitos do solo Qual o significado físico do resultado obtido Quais as capacitâncias parciais e de serviço considerando que o comprimento da linha é de 22 km Caro engenheiro espero que você esteja animado para resolver essa tarefa Bons estudos No estudo da operação de linhas de transmissão LTs sabese que o seu desempenho é decisivamente dependente de seus parâmetros elétricos Tais parâmetros são a resistência R a indutância L e a capacitância C A determinação desses parâmetros é fundamental pois conhecer R L e C é uma etapa que precede a determinação da impedância de LTs que pode ser dada como Z R j X X L C sendo XL a reatância indutiva dependente de L e XC a reatância capacitiva dependente de C Nesta seção estudaremos as formas de determinar esses valores Vale ressaltar que o desenvolvimento matemático que será apresentado considerará somente tensões e correntes senoidais ie alternada e se desenrolará apenas para as linhas aéreas não sendo abordados os mesmos cálculos para cabos subterrâneos e submarinos Indutância das Linhas de Transmissão A indutância de uma LT é o mais importante dos parâmetros de linha pois é por meio dela que é possível obter a reatância da LT que é o elemento predominante no cálculo de sua impedância Sendo assim é necessário que atenção especial seja dada a esse parâmetro em particular se estivermos preocupados em buscar formas de Não pode faltar U3 Transmissão de energia elétrica 139 reduzir o seu valor Neste contexto vale ressaltar de antemão que os valores das indutâncias das LTs dependem de sua configuração física e do meio no qual se encontram os condutores FUCHS 1977 Antes de iniciarmos nosso estudo esteja atento desde já às unidades que serão utilizadas ao longo desta seção Weber Wb é unidade do Sistema Internacional SI para fluxo magnético Henry H é unidade do SI para indutância Farad F é unidade do SI para capacitância Ohm Ω é unidade do SI para resistência Coulomb C é a unidade do SI para carga elétrica Para iniciarmos portanto o estudo do cálculo de indutâncias de LTs precisamos primeiramente compreender como calcular o fluxo magnético total de um condutor cilíndrico maciço Para tal observe a Figura 36 que mostra que condutores têm tanto fluxo magnético externo como interno a b Fonte Fuchs 1977 p 2834 Figura 36 Fluxo magnético a externo e b interno de um condutor O fluxo magnético total de um condutor cilíndrico maciço será φ φ φ total externo erno int 1 Sabese todavia que φexterno I d r 2 10 7 ln weber m e φinterno I 1 2 10 7 weber m 2 sendo d a distância entre dois condutores r o raio dos condutores e I o vetor de corrente elétrica que atravessa o condutor U3 Transmissão de energia elétrica 140 Pesquise mais A obtenção dos valores de fluxo magnético interno e externo do condutor foi feita a partir de desenvolvimentos matemáticos que partem do cálculo de intensidade de campo magnético Para a compreensão da obtenção de tais equações consulte Fuchs 1977 p 282286 Substituindo as equações 2 em 1 temse que φtotal I d r 2 10 1 4 7 ln weber m 3 Se lembrarmos que uma representação matemática utilizando ln pode ser feita como segue 1 4 1 4 ln e 4 Teremos φtotal I e d r I d re 2 10 2 10 7 1 4 7 ln ln ln 1 4 5 Se fizermos r re 1 4 obteremos por fim que φtotal I d r 2 10 7 ln weber m 6 O raio r re 1 4 pode ser compreendido como sendo o raio de um condutor fictício teórico que não possuindo fluxo interno produz o mesmo fluxo total que seria produzido pela corrente I A ao percorrer o condutor sólido real Assimile Nos cálculos do fluxo produzido por condutores cilíndricos maciços substituise seus raios externos reais por r re r 1 4 0 7788 O conceito de r é também denominado de Raio Médio Geométrico RMG do condutor ou metade do Diâmetro Médio Geométrico DMG Esses termos são comumente encontrados especificados em tabelas de condutores Para dar andamento ao estudo do cálculo da indutância de LTs portanto devemos ser capazes de compreender como o fluxo magnético de um condutor influencia no que está ao seu redor e U3 Transmissão de energia elétrica 141 especialmente em outro condutor fluxo de acoplamento entre dois condutores Para tal observe a Figura 37 em que os fluxos magnéticos de um condutor a e de um condutor b interagem entre si e P é um ponto qualquer no espaço pelo qual é possível calcular o fluxo magnético total Fonte Fuchs 1977 p 287 Figura 37 Fluxo de acoplamento entre dois condutores Se admitirmos que os dois condutores formam um circuito isto é I I b a é possível encontrar com algum desenvolvimento matemático que os fluxos magnéticos totais de cada condutor são φa a a b AB I r I d 2 10 1 1 7 ln ln weber m 7 φb a AB b b I d I r 2 10 1 1 7 ln ln weber m 8 Por fim por definição indutância tem relação com o fluxo magnético e com a corrente elétrica que atravessa o condutor pela seguinte expressão φ φ a b a b a b L L I I weber m 9 Substituindo as equações 7 e 8 em 9 determinase a indutância de uma LT com dois condutores formando um circuito como L r d d r a a AB AB 2 10 1 1 2 10 7 7 ln ln ln a henry m 10 L d r d b AB b AB 2 10 1 1 2 10 7 7 ln ln ln rb henry m 11 e se r r r a b então L L L d r Total a b AB 4 10 7 ln henry m 12 U3 Transmissão de energia elétrica 142 Fonte Fuchs 1977 p 290 Figura 38 Condutor com retorno pelo solo A reatância indutiva dos condutores portanto por definição é calculada como x f L f d r L a AB a a 2 4 10 7 π π ln ohm m 13 x f L f d r L b AB b b 2 4 10 7 π π ln ohm m 14 As equações 10 e 11 portanto concluem a etapa de cálculo de indutâncias e respectiva reatância de uma LT com dois condutores Sabese no entanto que o solo exerce influência nesses parâmetros e ainda não foi considerado Admitamos que um condutor A esteja suspenso a uma altura h m sobre o solo sendo paralelo ao mesmo Suponhamos também que o solo seja ideal ou seja funciona como um condutor perfeito e homogêneo O solo será o retorno do circuito do condutor A Uma vez que o percurso da corrente por meio do solo não pode ser estabelecido podemos admitir que existe um condutor equivalente em seu lugar Esse condutor por ora considerado ideal é paralelo ao condutor A encontrandose em uma profundidade da superfície do solo igual à altura do condutor A sobre o mesmo como mostra a Figura 38 Esse condutor recebe o nome de condutorimagem Seguindo a mesma lógica do que já foi apresentado a indutância para o caso descrito tomará a seguinte formulação matemática L h r a a 2 10 2 7 ln henry m 15 No caso de considerarmos dois condutores com retorno pelo solo nas mesmas condições anteriores cada condutor terá seu condutorimagem conforme Figura 39 U3 Transmissão de energia elétrica 143 Fonte adaptada de Fuchs 1977 p 382 Figura 39 Dois condutores com retorno pelo solo Por definição e a partir da realização de desenvolvimentos matemáticos as indutâncias dos condutores serão L h r D d a a a AB AB 2 10 2 7 ln ln henry m 16 L D d h r b AB AB b b 2 10 2 7 ln ln henry m 17 Assimile Matricialmente as expressões acima podem ser dadas como L L h r D d D d a b a a AB AB AB AB 2 10 2 7 ln ln ln ln 2h r b b henry m 18 sendo os termos da diagonal principal da matriz chamados de indutâncias próprias de cada condutor da LT e os termos fora da diagonal de indutâncias mútuas entre dois condutores representando a influência de um condutor sobre os seus vizinhos Refl ita Como seria para obter a expressão geral do cálculo de indutâncias considerando um grupo n de condutores Capacitância das Linhas de Transmissão Para iniciarmos o estudo do cálculo de capacitâncias de LTs precisamos compreender que as definições matemáticas são respaldadas em cálculos de intensidade de campo elétrico Volt U3 Transmissão de energia elétrica 144 Fonte Fuchs 1977 p 391 Figura 310 Capacitâncias parciais formadas em uma linha monofásica Metro ou Newton Coulomb e cálculo de diferença de potencial entre condutores carregados e entre condutores e o solo Em seguida precisamos compreender o que é capacitância e saber que existem as capacitâncias parciais entre os condutores a e b Cab e entre eles e o solo Cao e Cbo Para tal observe a Figura 310 que mostra as capacitâncias parciais em uma linha monofásica Por definição capacitância é definida como a carga por unidade de potencial como mostrado C q U ab a ab F m 19 sendo q a carga elétrica em Coulomb m e Uab a diferença de potencial entre os pontos a e b Realizando uma série de desenvolvimentos matemáticos semelhantes à lógica dos cálculos das indutâncias a partir de 19 obtêmse que U U h r D d D d a b a a ab ab ab ab 1 2 2 πε ln ln ln ln 2h r q q b b a b V 20 sendo ε a permissividade do meio sendo usualmente adotado o valor de ε ε o 8 859 10 12 farad m que equivale ao valor da permissividade absoluta ou do vácuo Assimile Da mesma forma que nas indutâncias os termos da diagonal principal da capacitância representam os potenciais devido às cargas dos próprios condutores e de suas imagens São então os termos próprios Os termos fora da diagonal principal representam a influência das cargas do condutor vizinho e de sua imagem sobre cada um dos condutores São os termos mútuos U3 Transmissão de energia elétrica 145 Definese portanto os coeficientes de potencial que relacionam tensões e carga próprios aaa e mútuos aab respectivamente como a h r aa a a 1 2 2 πε ln m F a D d ab ab ab 1 2πε ln m F 21 sendo a distância de um condutor e sua imagem calculada por D h h d ab a b ab 4 2 m 22 E substituindo valores temse que a h r aa a a 4 14468 10 2 4 log m F 23 a D d ab ab ab 4 14468 104 log m F 24 Note que nesses equacionamentos diferentemente das indutâncias utilizase o raio externo do condutor nos cálculos e não o raio médio geométrico RMG Por fim após mais alguns tratamentos matemáticos é possível obter que C A 1 e que as Cao Cbo Cab e a capacitância de serviço CS correspondem a C a a a a a ao bb ab aa bb ab 2 C a a a a a bo aa ab aa bb ab 2 C a a a a ab ab aa bb ab 2 C C C C C C s ab ao bo ao bo F m A capacitância de serviço é um valor que representa um capacitor equivalente ao efeito de todas as capacitâncias parciais Exemplificando Para linhas monofásicas temse que C C a a ao bo aa ab 1 C a a a ab ab aa ab 2 2 C a a s aa ab 1 2 F m No mais a reatância capacitiva dos condutores é por definição dada como x f C c 1 2 π ohm m 25 Para concluir vale ressaltar que os cálculos para linhas trifásicas são bem mais complexos e não estão sendo apresentados Resistência das Linhas de Transmissão A resistência dos condutores é a principal causa da perda de energia das linhas de transmissão Portanto os condutores apresentam resistências diferentes à passagem das correntes contínuas e à passagem das correntes alternadas U3 Transmissão de energia elétrica 146 Com o valor da resistência total dos condutores se determinam as perdas na transmissão Isso é comumente obtido por meio de tabelas de fabricantes de condutores que apresentam uma padronização de resistências efetivas dos condutores seja à corrente contínua seja à corrente alternada em diversas frequências industriais Uma corrente variável com o tempo em corrente alternada provoca densidade de corrente desuniforme e à medida que aumenta a sua frequência se acentuam as desuniformidades da distribuição de corrente alternada Esse fenômeno é chamado efeito pelicular Em um condutor circular a densidade de corrente usualmente cresce do interior para a superfície A resistência efetiva de um condutor é dada por R potência perdida no condutor I 2 ohm 26 em que a potência é dada em Watts e I é o valor eficaz em Ampères da corrente do condutor Transposição de uma Linha de Transmissão Imagine o cenário em que LTs trifásicas são dispostas em cabos em paralelo por todo o percurso da geração ao consumo Além disso tais condutores não podem ser espaçados simetricamente entre si por questões construtivas O efeito da indutância nos condutores desse cenário descrito será diferente em cada fase gerando uma queda de tensão desequilibrada nas três fases e a um desbalanceamento da linha o que não é desejável Para compensar essa assimetria e o desequilíbrio de linha portanto as posições dos condutores são alteradas conforme Figura 311 em intervalos regulares ao longo do seu comprimento Essa prática é a transposição de LT PINTO 2014 Fonte Pinto 2014 p 76 Figura 311 Esquema de transposição de uma LT trifásica U3 Transmissão de energia elétrica 147 A transposição baseiase em rotacionar as posições das fases de uma linha de transmissão em intervalos atentando para que cada uma delas percorra todas as posições em uma dada configuração da linha O objetivo dessa prática é igualar as impedâncias próprias e mútuas A Figura 39 mostra o exemplo de uma linha dividida em três partes iguais com cada fase ocupando aproximadamente 13 do comprimento total fazendo assim uma transposição completa A transposição é feita a partir de uma determinada extensão geralmente acima de 100 km PINTO 2014 Exemplificando No Brasil o ONS Operador Nacional do Sistema por meio do Submódulo 24 Requisitos mínimos para linhas de transmissão aéreas estabelece que linhas superiores a 100 km devem ser transpostas com um ciclo completo de transposição de preferência com trechos de 16 13 13 e 16 do comprimento total PINTO 2014 Reflita A transposição de LTs afeta a determinação da resistência dos condutores E da indutância como afeta E da capacitância Sem medo de errar Retomando o cenário em que você é um engenheiro projetista de linhas de transmissão como você faria para especificar tecnicamente um trecho de uma linha rural monofásica em 60 Hz construída na região amazônica com 2 condutores de cobre maciço nº 6 AWG e espaçados entre si de 224 m em cruzeta plana horizontal Caro engenheiro primeiramente determine as reatâncias xLa tanto de condutor como de linha de acordo com a expressão a seguir a Por condutor L d r a ab a 4 6052 10 4 log henry km de modo que da tabela característica dos condutores o raio médio geométrico ra é ra 0 001603 m Assim La 4 6052 10 2 24 0 001603 4 6052 10 1 397 38 4 4 log log 1 44848 mH km U3 Transmissão de energia elétrica 148 A reatância de condutor portanto é x f La 2 1 44848 10 0 546 3 π ohm km b Por circuito monofásico L d r a ab a 9 2104 10 4 log henry km de linha Substituindo os valores de dab e Dsa temse que La 9 2104 10 2 24 0 001603 9 2104 10 1397 38 4 4 log log 2 89696 mH km Assim a reatância de linha será de x f La 2 2 89696 10 1 09215 3 π ohm km Se admitirmos que os condutores estão a uma altura média de 678 m e que em condutores monofásicos I I b a temos que as reatâncias de condutor são x f h r D d L a a ab ab a 4 10 2 4 π ln ln ohm km e x f D d h r L ab ab a b b 4 10 2 4 π ln ln ohm km Considerando que para f 60 Hz e ha 6 78 m r r a b 0 001603 m dab 2 24 m determinase Dab pelo Teorema de Pitágoras para triângulos retângulos como a distância da imagem do condutor a refletida para o solo até o condutor b de modo que D h d ab a ab 2 2 6 78 2 24 13 7438 2 2 2 2 m Assim x x La Lb 4 60 10 2 6 78 0 001603 13 7438 2 24 4 π ln ln x x La Lb 753 98224 10 13 56 0 001603 13 7438 2 24 4 ln ln x x La Lb 0 545 ohm km Comparando esse último resultado em que se consideram os efeitos do solo com o anterior em que não se consideram tais efeitos é possível verificar que o erro relativo causado pela não consideração do efeito do solo é de 0183 portanto para esse tipo de linhas desprezar a presença do solo nos cálculos das reatâncias indutivas não será um problema Já as capacitâncias parciais e de serviço todavia podem ser obtidas conforme segue U3 Transmissão de energia elétrica 149 C C a a ao bo aa ab 1 C a a a ab ab aa ab 2 2 C a a s aa ab 1 2 F km de modo que os coeficientes de campo aaa e aab serão a h r aa a a 4 14468 10 2 7 log e a D d ab ab ab 4 14468 107 log sendo ra o raio externo do condutor no valor de ra 0 0020575 m obtido de tabela de condutores de cobre mas que também pode ser obtido pela expressão r r r r a a a a 0 7788 0 001603 0 7788 0 0020575 m Assim aaa 4 14468 10 2 6 78 0 0020575 15 8282 10 7 7 log aab 4 14468 10 13 7438 2 24 3 2654 10 7 7 log E os valores das capacitâncias parciais são C C ao bo 1 15 8282 3 2654 10 0 52374 10 7 8 F km Cab 15 8282 10 15 8282 10 3 2654 10 0 13613 7 7 2 7 2 10 8 F km Cs 1 2 15 8282 3 2654 10 0 398 10 7 8 F km Os valores das capacitâncias totais portanto são obtidos pela multiplicação das capacitâncias parciais pelo comprimento da linha 22 km Assim temse que C C ao bo 0 52374 10 22 11 5223 10 8 8 F Cab 0 13613 10 22 2 9949 10 8 8 F Cs 0 398 10 22 8 756 10 8 8 F Assim você seria capaz de determinar as indutâncias e capacitâncias do seu projeto de linha de transmissão concluindo mais uma etapa Avançando na prática Fórmula aproximada para cálculo de capacitância de LT Descrição da situaçãoproblema Saber realizar o cálculo de parâmetros de LTs é de fundamental importância nas etapas de projeto de LTs Existem várias formulações e considerações que podem ser realizadas nos cálculos desses U3 Transmissão de energia elétrica 150 parâmetros de maneira que mesmo que haja algumas simplificações dependendo do caso não afetem significativamente os resultados dos valores dos parâmetros a serem encontrados Sendo assim imagine que você é um engenheiro projetista de LTs e que seu objetivo é obter uma expressão simplificada para calcular a capacitância em LTs monofásicas construídas com condutores de mesmo diâmetro e suspensos a uma mesma altura Resolução da situaçãoproblema Para linhas monofásicas construídas com condutores de mesmo diâmetro e suspensos a uma mesma altura teremos que C C a a ao bo aa ab 1 C a a a ab ab aa ab 2 2 C a a s aa ab 1 2 F km Substituindo os valores das capacitâncias parciais na capacitância de serviço temse C h r D d s a a ab ab 1 2 4 14468 10 2 7 log log Realizando os cálculos obtémse que C h r D d s a a ab ab 0 0120616 10 2 0 6 log log 0120616 10 2 0 0120616 10 2 6 6 log log h r D d a a ab ab h D d r a ab ab a Nas linhas monofásicas reais em geral dab é consideravelmente menor que ha portanto 2h D a ab pode ser geralmente considerado igual à unidade sem incorrermos em erros apreciáveis Assim para a maior parte das aplicações basta empregar a expressão C d r s ab a 0 0120616 10 6 log F km para determinar a capacitância de serviço por quilômetro de linha Experimente utilizar essa equação no Sem medo de errar desta seção para comparar os resultados Faça valer a pena 1 As linhas de transmissão LTs são elementos dos sistemas elétricos de potência SEPs responsáveis por transportar a energia elétrica a grandes distâncias desde as subestações elevadoras próximas à geração até as subestações abaixadoras que transformarão os níveis de tensão para U3 Transmissão de energia elétrica 151 valores adequados e seguros para o consumo pelas mais variadas unidades de distribuição Esses sistemas transmitem tensão e corrente de uma extremidade para outra de modo que em sua constituição há condutores com seção transversal uniforme ao longo de todo o comprimento da linha Para linhas aéreas que é o foco do estudo na área o ar atua como meio isolante ou dielétrico entre os condutores A respeito das LTs seus parâmetros efeitos e formas de calcular indutâncias capacitâncias resistências e reatâncias analise as afirmativas a seguir e assinale a correta a A capacitância de uma LT depende da corrente elétrica I e da diferença de potencial U b A resistência de uma LT varia em uma relação diretamente proporcional à corrente que atravessa o condutor c A indutância própria de uma LT depende apenas da distância do condutor para o solo d A reatância capacitiva é diretamente proporcional às capacitâncias próprias e mútuas do condutor e à frequência de operação da rede elétrica e A reatância indutiva para linhas monofásicas depende apenas do raio médio geométrico do condutor da frequência de operação e da distância entre os condutores 2 Na obtenção dos parâmetros de linhas de transmissão LTs destacase a indutância dos condutores de uma LT Neste contexto portanto analise a afirmação Afirmação O passo a passo para a obtenção dos parâmetros indutivos de uma LT segue tipicamente uma sequência lógica de desenvolvimentos matemáticos que precisam ser fundamentados em teorias e definições para posteriormente realizarse cálculos que permitam a determinação desses parâmetros Essa afirmação pode ser justificada a partir dos seguintes argumentos cuja ordem não é necessariamente a apresentada I Calcular o fluxo de acoplamento de dois condutores II Calcular a reatância indutiva de um condutor III Calcular o fluxo magnético total de um condutor IV Calcular a indutância de um condutor V Calcular o fluxo magnético interno e externo de um condutor De acordo com o textobase acima assinale a alternativa correta a respeito da ordem mais adequada para os argumentos I II III IV e V a III I V IV II b I V IV III II c V I III II IV d V III I IV II e I III V II IV U3 Transmissão de energia elétrica 152 Para determinar a capacitância de serviço dessa LT considerando que os condutores estão a 15 m de altura em relação ao solo temse que a expressão que normalmente é utilizada para cálculo da capacitância de serviço em redes trifásicas é sutilmente diferente das monofásicas e é C D r d d d r s m ab ac bc 0 02412 10 0 02412 10 6 6 3 log log F km sendo Dm a distância média geométrica entre condutores dabdac e dbc a distância entre condutores e ab ac e bc respectivamente e r o raio do condutor considerando que são todos iguais De acordo com o textobase acima analise as afirmativas a seguir e assinale a correta com relação ao cálculo da capacitância de serviço a A capacitância de serviço da rede é inferior a 1 mF e superior a 1 µF b A capacitância de serviço da rede é inferior a 1 µF e superior a 1 nF c A capacitância de serviço da rede é inferior a 1 nF e superior a 1 pF d A capacitância de serviço da rede é inferior a 1 fF e superior a 1 pF e A capacitância de serviço da rede é inferior a 1 pF e superior a 1 fF 3 Considere uma linha primária rural de 138 kV construída com cabos CAA n 4 AWG ie de tabela RMG 000127 m conforme ilustrado na Figura 312 e cujas distâncias também estão apresentadas em m Fonte Fuchs 1977 p 347 Figura 312 Cruzeta para 15 kV U3 Transmissão de energia elétrica 153 Seção 33 Modelagem de linhas de transmissão Caro aluno na seção anterior analisamos os parâmetros de linhas de transmissão LTs e nesta seção nos prepararemos para considerar a LT como um elemento dos sistemas elétricos de potência SEPs Nesta última etapa desta unidade aprenderemos a modelar esses componentes apresentando fórmulas para calcular tensões e correntes em qualquer ponto de uma LT que é um problema determinante nas etapas de projeto e de operação de SEPs Nesse cenário é uma prática comum que os modernos SEPs sejam continuamente monitorados em tempo real por uma avançada infraestrutura de informação e monitoramento também conhecida como sistema SCADA Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados do inglês Supervisory Control and Data Acquisition de modo que para atender à necessidade de supervisionar e controlar o SEP como um todo tem como uma das suas principais funções a de manter os níveis de tensão dentro dos limites especificados Daí surge a importância de se conhecer e compreender os modelos das LTs pois isso permite que o engenheiro seja capaz de não apenas projetar LTs mas também de avaliar resultados fornecidos pelo SCADA a respeito do estado atual da rede elétrica que pode ser normalseguro alerta emergência e outros Dessa forma sabendo da importância de se projetar e monitorar adequadamente as LTs lembrese de que na seção anterior você como engenheiro concluiu os cálculos de determinação de parâmetros do projeto de uma LT Supondo que o projeto nessa etapa esteja então concluído agora chegou a hora de apresentálo para os acionistas da empresa Você deve construir uma apresentação destacando a importância do projeto com base na decisão do governo brasileiro que desde a década de 1960 optou por estabelecer projetos de expansão da malha de linhas de transmissão do país de modo que uma enorme malha fosse formada Sistema Interligado Nacional SIN Seu objetivo Diálogo aberto U3 Transmissão de energia elétrica 154 foi o de interligar todas as regiões do país e fortalecer a seguridade no fornecimento de energia elétrica no território nacional Após a sua apresentação a fim de compreender as razões para se investir em empreendimentos dessa natureza suponha que um dos executivos indagou você com o seguinte questionamento Caro engenheiro como você é um projetista de linhas de transmissão de energia elétrica e especialista no assunto supondo que você trabalhasse na década de 1960 apoiaria tal decisão do governo federal ou recusaria em prol de outras alternativas talvez mais eficientes e ou menos custosas Como você responderia tal questionamento Considere na sua reflexão todos os fatores que determinam o custo do transporte de energia e as particularidades do território brasileiro Esperamos que você esteja animado para finalizar mais essa etapa do seu estudo dos sistemas de Geração Transmissão e Distribuição de Energia Então arregace as mangas e vamos finalizar mais uma etapa dessa jornada Bons estudos Para iniciar nosso estudo primeiramente assumiremos a premissa de que as linhas de transmissão LTs funcionam como cargas trifásicas equilibradas mesmo que não possuam espaçamento equilátero e não sejam transpostas A assimetria resultante é tipicamente pequena e assim as fases podem ser consideradas equilibradas O objetivo dessa premissa é que um estudo que seria aplicado a sistemas trifásicos possa ser simplificado para sistemas equivalentes monofásicos sem perdas significativas de generalidade Isso reduz significativamente a complexidade da modelagem e das análises A Figura 313a ilustra um circuito trifásico e a Figura 313b o seu equivalente monofásico a b Não pode faltar Fonte adaptada de Stevenson 1986 p 956 Figura 313 a Circuito trifásico de um gerador alimentando uma carga equilibrada em Y através de uma LT com parâmetros concentrados para a resistência R e para a indutância L tendo a capacitância omitida e seu b equivalente monofásico com a adição da capacitância ao neutro sendo esta dividida entre os dois terminais da LT U3 Transmissão de energia elétrica 155 Lembrese de que R L e C são a resistência a indutância e a capacitância da LT respectivamente ZL a impedância da carga e VS e VR as tensões do gerador na fonte e da carga respectivamente Outro fator que é importante diferenciarmos são as definições de parâmetros distribuídos e de parâmetros concentrados Um circuito de parâmetros distribuídos é um circuito de comprimento finito no qual qualquer elemento constituinte por menor que seja origina uma variação de tensão no sentido longitudinal e uma derivação de corrente no sentido transversal Esquematicamente tal circuito pode ser representado como na Figura 314a Circuitos de parâmetros concentrados por sua vez representam valores totais de impedâncias e originam uma variação de tensão no sentido longitudinal e uma derivação de corrente no sentido transversal somente entre os nós terminais da LT em análise A Figura 314b ilustra o caso Fonte elaborada pelo autor Figura 314 a Circuito de parâmetros distribuídos e b circuito de parâmetros concentrados a b Nos casos de estudos com parâmetros distribuídos consideram se o comprimento das linhas dados pela letra e as nomenclaturas são dadas como a impedância em série por fase por unidade de comprimento é dada pela letra minúscula z e a admitância em derivação ou shunt do inglês por fase ao neutro por unidade de comprimento é dada pela letra y Nos estudos com parâmetros concentrados as nomenclaturas básicas são a impedância total em série por fase é dada pela letra maiúscula Z sendo Z z e a admitância total em derivação ou shunt do inglês por fase ao neutro é dada pela letra Y sendo Y y U3 Transmissão de energia elétrica 156 Fonte Pinto 2014 p 74 Figura 315 Circuito equivalente de uma LT curta Assimile Parâmetros distribuídos correspondem a valores infinitesimais de impedância e parâmetros concentrados correspondem a valores totais Modelagem de Linhas de Transmissão Após apresentarmos tais convenções você aluno deve atentar ao iniciar o estudo desta seção apresentaremos a seguir os modelos de linhas de transmissão que de acordo com o comprimento da linha são classificados em três tipos a Modelo de linhas curtas até 80 km utiliza parâmetros concentrados Nos modelos de LTs curtas o efeito do capacitor shunt pode ser desprezado sendo consideradas apenas a resistência e a reatância indutiva parâmetros série Assumidas as condições de equilíbrio a linha pode ser representada por um circuito equivalente monofásico com uma resistência R e uma reatância indutiva XL em série conforme Figura 315 PINTO 2014 Da Figura 314 temse que Z R j X Z R j L L ω sendo ω π 2 f a frequência angular 1 I Ic a arg 2 V V Z I c a arg 3 U3 Transmissão de energia elétrica 157 b Modelo de linhas médias entre 80 e 240 km utiliza parâmetros concentrados Nos modelos de LTs médias o efeito do capacitor shunt Yc é dividido em duas partes iguais dispostas no início e no fim da linha Esta é representada também por um circuito equivalente monofásico sendo chamada de configuração π devido ao formato semelhante ao dessa letra grega conforme mostra Figura 314 PINTO 2014 Fonte Pinto 2014 p 74 Figura 316 Circuito equivalente de uma LT média Da Figura 314 temse que V V Y I Z V c a c a c a arg arg arg 2 4 I V Y V Y I c a c a 2 2 arg arg 5 Fazendo todos os rearranjos matemáticos e substituições temos as seguintes equações finais V ZY V Z I c a c a 2 1 arg arg 6 I Y ZY V ZY I c a c a 1 4 2 1 arg arg 7 c Modelo de linhas longas acima de 240 km utiliza parâmetros distribuídos Nos modelos de LTs longas os parâmetros têm de ser considerados uniformemente distribuídos ao longo da linha A impedância e a capacitância shunt são determinadas por meio da solução de equações diferenciais em que a tensão e a corrente são descritas em função da distância e do tempo A Figura 315 mostra o circuito equivalente de uma LT longa PINTO 2014 U3 Transmissão de energia elétrica 158 Fonte Pinto 2014 p 74 Figura 317 Circuito equivalente de uma LT longa Da Figura 315 não é trivial compreendermos como surgiram tais equações pois são considerados os efeitos das equações de Maxwell do Eletromagnetismo na resolução de um problema de equações diferenciais e o que será mostrado a seguir corresponde ao resultado final da formulação por meio de funções hiperbólicas que é mais utilizada para representação de um circuito equivalente de uma LT longa de modo que as equações são z Z sen h equivalente γ γ 8 y Y h equivalente tan γ γ 2 2 9 γ z y a constante de propagação 10 Z z e Y y sendo o comprimento da LT 11 E as funções hiperbólicas básicas sen h e cosh por definição são expressas como sen h e e θ θ θ 2 e cos e h e θ θ θ 2 12 sendo e a função exponencial Fazendo todos os rearranjos matemáticos e substituições temos as seguintes equações finais l l V V Z sen I c a c c a cosh h arg arg γ γ 13 l l I sen h Z V h I c c a c a γ γ arg arg cos 14 e Z z y c é a impedância característica de uma LT 15 U3 Transmissão de energia elétrica 159 Pesquise mais Para mais detalhes a respeito da formulação de LTs longas recomenda se leitura de outras bibliografias que abordem o tema e o tratem com aprofundado detalhamento matemático tal como Zanetta Jr 2006 p 134140 Vale ressaltar que além do modelo π de representação de LTs que é o mais usual existe também o modelo T que é dado conforme Figura 318 Fonte Zanetta Jr 2006 p 142 Figura 318 Modelo T de linha de transmissão Assimile Para todos os tipos de LTs podemos representar as equações dos circuitos por meio de constante ABCD STEVENSON 1986 p 451 V A V B I fonte c a c a arg arg 16 I C V D I fonte c a c a arg arg 17 de modo que para LTs curtas impedância série vide Figura 313 A B Z C D 1 0 1 18 LTs médias e longas configuração π vide Figura 314 A Y Z B Z C Y Y Z Y Y D Y Z c c c c c c 1 2 2 2 2 2 1 2 19 LTs médias e longas configuração T vide Figura 316 A Y Z B Z Z Y Z Z C Y D Y Z 1 2 2 2 2 2 1 2 20 U3 Transmissão de energia elétrica 160 Alguns cálculos não foram simplificados porque as componentes podem ser utilizadas para LTs cujas componentes em derivação sejam assimétricas ou seja a admitância shunt próxima ao gerador pode ser diferente do valor próximo à carga nos modelos π vide Figura 316 e a impedância série próxima ao gerador pode ser diferente do valor próximo à carga nos modelos T vide Figura 318 Assim se há termos repetidos se multiplicando ou somando substituir adequadamente pelos valores correspondentes assimétricos caso existam Exemplificando Suponha uma linha de transmissão de 60 Hz de circuito simples de comprimento de 370 km A carga na linha é de 125 MW a 215 kV com fator de potência unitário ou seja potência reativa nula Determine a tensão e a corrente na fonte sabendo que a impedância série é 0 2 1 28 j Ω km e a admitância shunt j 8 17 10 6 Siemens km Lembrese de que a unidade Siemens corresponde ao inverso de Ohms Ω Solução Para resolver essa tarefa primeiro separamos os dados de carga V kV I MW kV c a fase neutro c a arg arg 215 3 124 13 125 3 215 335 7 A Após isso devemos calcular a impedância e a admitância total dada por Z z Z j j 0 2 1 28 370 74 473 6 Ω e Y y Z j j Siemens 8 17 10 370 3 0229 10 6 3 Posteriormente temse que a constante de propagação é dada por γ z y j j j j 0 2 1 28 8 17 10 10 1 0458 10 6 6 2 5 1634 10 458 10 0 25188 3 2436 10 6 3 j j 1634 lembrando que j 1 note que γ é uma variável admensional sem unidade e a impedância característica é Z z y j j j c 0 2 1 28 8 17 10 39 70154 3 08298 10 6 1 Ω Por fim para aplicarmos os resultados nas equações 13 e 14 temos que U3 Transmissão de energia elétrica 161 cosh 0 25188 3 2436 10 370 0 3638 0 0870 3 j j sen j j h 0 25188 3 2436 10 370 0 0338 0 9361 3 e assim a equação 13 que define a tensão é dada por e a equação 14 que define a corrente é dada por l l I sen h Z V h I j c c a c a γ γ arg arg cos 0 0338 0 9361 39 70154 3 08298 10 124 13 10 0 3638 0 0870 335 7 110 0 3 j j 407 320 9464 339 29 71 08 j A O efeito corona O efeito corona é uma descarga elétrica gerada pela ionização do ar nos arredores do condutor quando a diferença de potencial entre uma das fases e o solo ultrapassa determinado valor crítico de ruptura O valor dessa tensão de ruptura depende dentre outros fatores da pressão atmosférica da quantidade de vapor dágua no ar e do tipo de tensão em questão CA ou CC As consequências do efeito corona são estudadas há mais de 50 anos e são bastante indesejadas na operação de LTs embora inevitáveis especialmente para LTs acima de 100 kV Ressaltase que ferragens defeituosas e pinos mal ajustados podem gerar pulsos eletromagnéticos que interferem na faixa de frequência modulada FM Em suma os seus efeitos podem ser sintetizados em quatro características ruído sonoro produção de ozônio perda de energia e interferência eletromagnética especialmente nas frequências das rádios AM amplitude modulada PINTO 2014 As perdas que acontecem nas linhas de transmissão decorrentes do corona estão relacionadas principalmente com as condições meteorológicas do local da geometria dos condutores das tensões de operação e dos gradientes de potencial nas superfícies desses condutores Para dar uma ideia da gravidade as perdas por efeito corona em linhas com tensões extraelevadas podem variar de alguns kWkm até algumas centenas de kWkm sob condições climáticas adversas PINTO 2014 U3 Transmissão de energia elétrica 162 Fatores que determinam o custo do transporte da energia elétrica O dimensionamento de LTs em suma segue uma regra simples Transportar uma dada potência kW a uma dada distância km com o menor custo possível dentro de padrões técnicos aceitáveis e com grau de confiabilidade preestabelecido Neste sentido o objetivo é satisfazer dois fatores aparentemente antagônicos custo da energia perdida no transporte x custo das instalações Assim uma análise técnicoeconômica deve incluir todos os fatores que afetam tanto os custos das perdas como os custos das instalações Neste contexto portanto podemos sintetizar na Tabela 32 a lista dos principais fatores que determinam o custo do transporte de energia elétrica que são FUCHS 1977 Fonte adaptado de Fuchs 1977 p 522537 Quadro 31 Fatores que determinam o custo do transporte de energia elétrica Custo anual das perdas de transmissão a Perdas por Dispersão Principalmente pelo efeito Corona b Perdas por Efeito Joule Causadas pelas impedâncias das LTs Quanto maior o custo da energia perdida maiores deverão ser as bitolas dos condutores e portanto mais robustas deverão ser as estruturas torres para suportarem o peso e consequentemente maiores os investimentos Além disso devese lembrar dos custos dos equipamentos que suprem energia reativa à rede que são tão indispensáveis à operação do sistema elétrico Custo de instalação a Custo da obra em quotas anuais Custos de estudos e projetos administração e fiscalização da obra desapropriações custo dos materiais inclusive seguros e transportes e mão de obra inclusive encargos sociais e trabalhistas b Encargos financeiros anuais Despesas para obtenção de financiamentos taxas emolumentos etc e juros passivos totais até o final da amortização dos empréstimos c Custo anual de manutenção e operação Custo de substituição de materiais de acordo com a vida útil estimada custo de limpeza periódica das faixas de serviço etc No cálculo dos custos de instalação as variáveis em análise tipicamente são custo inicial da instalação custo de manutenção e operação taxa anual de aumento de custos despesas financeiras e taxa de recuperação de capital U3 Transmissão de energia elétrica 163 Reflita Caro aluno como você interpreta a importância de conhecer os modelos de LTs para se realizar uma análise mais precisa dos custos do transporte de energia Elas são importantes para calcular os custos das perdas ou os custos de instalação Retomando o cenário em que você é um engenheiro projetista de linhas de transmissão e sabendo de sua capacidade e experiência você foi convidado para apresentar o projeto aos acionistas da empresa Por solicitação dos próprios executivos você também deve falar sobre as vantagens e desvantagens do SIN Em sua palestra você foi requisitado para abordar o tema com maior ênfase aos fatores que determinam os custos do transporte de energia Para realizar essa tarefa portanto sugerese que você organize a sua apresentação da seguinte forma a apresente os fundamentos básicos das LTs de maneira sucinta em seguida b destaque quais são os parâmetros das LTs essenciais em um projeto e os c modelos que representam as LTs para por fim destacar d os fatores que determinam os custos do transporte da energia Primeiramente seguindo a ordem sugerida você apresenta e discute as características básicas dos condutores das estruturas torres dos isoladores e ferragens e dos cabos pararaios Em seguida apresenta e define a resistência a indutância e a capacitância de LTs destacando que a resistência por exemplo é um parâmetro fundamental que depende das propriedades do material condutor que é responsável pelas perdas por Efeito Joule aquecimento As indutâncias por sua vez produzem efeitos somente quando há corrente alternada CA como resultado das variações dos campos magnéticos produzidos pelas correntes que atravessam os condutores E as capacitâncias enfim existem como resultado dos campos elétricos entre dois condutores e entre um condutor e o solo Em um segundo momento da sua palestra após apresentar os parâmetros das LTs você apresenta como esses parâmetros realmente afetam os níveis de tensão e como as correntes que fluem no sistema e isso poderia ser feito com ilustrações dos modelos matemáticos das LTs Na Figura 319 a seguir você explicaria como Sem medo de errar U3 Transmissão de energia elétrica 164 um projeto mal dimensionado ou seja com altos valores de R e XL poderia acarretar em sérios prejuízos na operação da rede tanto por altas perdas por efeito Joule como por altas perdas por dispersão efeito corona até como por não viabilizar que limites de tensão estabelecidos em normas regulatórias pudessem ser atendidos devido aos altos valores de queda de tensão nas LTs Fonte Pinto 2014 p 74 Figura 320 Circuito equivalente de uma LT curta Por outro lado valores muito baixos de R e XL poderiam acarretar sérios prejuízos relacionados aos custos de instalação dessa LT pois significaria que condutores de maior bitola estariam sendo utilizados tornando o custo de aquisição de condutores mais elevado além de requerer uma torre estrutura de suporte e isoladores mais robustos para suportarem o maior peso desses condutores Neste sentido você conclui que realizar um projeto de LT é otimizar dois aspectos conflitantes o custo das perdas e o custo de instalação de equipamentos Sendo assim saber ponderar adequadamente o custo de cada um é o maior desafio do engenheiro projetista de LTs a fim de ser obter o máximo retorno do investimento satisfazendo os padrões de qualidade exigidos pelos órgãos regulatórios No que se refere ao Sistema Interligado Nacional SIN você pondera suas vantagens e desvantagens pelos seguintes aspectos i No sentido de custo de perdas o SIN contribui significativamente para reduzir tais custos porque em redes malhadas como temos no SIN o fluxo de potência pode seguir diferentes caminhos nas malhas existentes aliviando principalmente as perdas por efeito Joule No Brasil isto é um fator importantíssimo principalmente quando se sabe que o país tem geração de energia elétrica predominantemente centralizada e localizada a grandes distâncias dos centros consumidores U3 Transmissão de energia elétrica 165 ii No sentido de custo de instalação o SIN contribui para aumentar tais custos porque em redes malhadas como temos no SIN a redundância de caminhos formados pelas malhas para o fluxo de potência entre regiões requer que mais condutores tenham sido instalados mais torres e que haja mais custos de operação e manutenção e mais encargos financeiros mais mão de obra tenha sido empregada etc No final de sua palestra após apresentar e discutir as vantagens e desvantagens do SIN você foi requisitado para responder a uma questão de maneira crítica que seria se você apoiaria ou não a decisão do governo federal de criar um Sistema Interligado Nacional em vez de outras soluções caso você exercesse a profissão de projetista de LTs na década de 1960 Caro engenheiro que decisão você toma com base nos fatores considerados Você apoiaria ou não a criação do SIN Que argumentos você utilizaria para justificar sua resposta Avançando na prática Praticidade dos modelos matemáticos de LTs Descrição da situaçãoproblema O primeiro passo a ser dado na análise de uma LT é saber que esta é caracterizada pelo fato de seus parâmetros serem distribuídos ao longo de seu comprimento Deste modo as tensões e correntes envolvidas na linha se comportarão como ondas encontrando soluções matemáticas nas chamadas equações diferenciais que podem ser resolvidas em duas frentes no domínio do tempo ou no domínio da frequência De modo geral a solução no domínio da frequência se torna mais acessível do que no domínio do tempo PINTO 2014 Imagine que você é um engenheiro projetista de LTs de uma grande multinacional logo você sabe que as LTs de maneira genérica deveriam ser modeladas sempre com base na formulação apresentada para linhas longas parâmetros distribuídos todavia você não o faz em seus projetos Como você explicaria para o seu gestor que para linhas curtas e para linhas médias a utilização de parâmetros concentrados em modelos mais simplificados é o suficiente para obter projetos de alta qualidade U3 Transmissão de energia elétrica 166 Resolução da situaçãoproblema Um condutor elétrico de uma linha de transmissão tem quatro parâmetros elétricos básicos que são combinações de resistência indutância capacitância e condutância os dois primeiros em série e os dois últimos em combinação shunt simbolizados respectivamente por R L C e G Tais parâmetros são uniformemente distribuídos ao longo do comprimento da linha não sendo possível uma representação independente dessas grandezas em qualquer ponto dela Dizse também que tais parâmetros não são caracterizáveis discretamente Optouse então por expressálos em função do comprimento da linha PINTO 2014 R L e C dependem do material usado e das dimensões físicas do condutor A indutância e a capacitância são produzidas pela presença de campos magnéticos e elétricos em torno dos condutores dependendo de sua disposição geométrica A indutância está presente exclusivamente nas linhas de transmissão em CA e a capacitância se torna mais relevante em linhas superiores a 80 km e com tensões a partir de 345 kV aproximadamente A condutância ocorre devido a correntes de fuga que fluem por meio dos isoladores e do ar Como a corrente de fuga é consideravelmente pequena se comparada à corrente nominal ela acaba sendo desconsiderada sem perda de generalidade do modelo PINTO 2014 Da mesma forma que a condutância pode ser desconsiderada no módulo por não acarretar mudanças significativas nos cálculos em linhas curtas como as distâncias são menores também existe o efeito capacitivo entre os condutores e entre eles e o solo são tão pequenos que pouco afetam o resultado final dos cálculos por isso podemos desconsiderálos No caso de linhas médias como as distâncias também não são tão grandes os efeitos da propagação e da reflexão de ondas do estudo de Eletromagnetismo também podem ser negligenciados sem perda de generalidade Por isso podemos simplificar o problema para resolvêlos com maior simplicidade e sem perda significativa de qualidade das soluções Assim você seria capaz de demonstrar argumentos técnicos suficientes não somente para satisfazer o questionamento de seu gestor mas também para de fato produzir projetos de LTs de alta qualidade U3 Transmissão de energia elétrica 167 Faça valer a pena 1 A respeito dos modelos das linhas de transmissão LTs analise as afirmativas a seguir I A condutância é um parâmetro que corresponde ao inverso da resistência elétrica referese às correntes de fuga que fluem por meio dos isoladores e do ar e é consideravelmente pequena e deve ser desprezada somente nos modelos de linhas curtas e médias devendo ser considerada apenas em linhas longas II A capacitância em LTs está presente somente em redes de transmissão CA III A capacitância em LTs se torna mais relevante apenas em linhas superiores a 80 km e com tensões a partir de 345 kV IV A indutância em LTs pode ser desconsiderada em linhas curtas considerando apenas a impedância série Com base nas afirmativas acima analise as alternativas a seguir e assinale a correta a Somente a afirmativa III está correta b Somente as afirmativas I e II estão corretas c Somente as afirmativas I II e IV estão corretas d As afirmativas I II III e IV estão corretas e Somente as afirmativas III e IV estão corretas 2 O objetivo de dimensionar LTs da melhor maneira possível é de satisfazer dois fatores conflitantes custo da energia perdida no transporte e custo das instalações Assim uma análise técnicoeconômica deve incluir todos os fatores que afetam tanto os custos das perdas como os custos das instalações Neste cenário analise as afirmações e a relação entre elas I Quanto menor o custo da energia perdida menores poderão ser as seções nominais bitolas dos condutores DESTE MODO II menos robustas poderão ser as estruturas torres para suportarem o peso e consequentemente menores serão os custos de instalação Com base no texto acima assinale a alternativa que contém a afirmação correta a A afirmativa I está inteiramente correta mas a II não está embora o conteúdo da II justifique a I b A afirmativa I não está inteiramente correta mas a II está c As afirmativas I e II estão inteiramente corretas e o conteúdo da II justifica a I d As afirmativas I e II estão inteiramente corretas mas o conteúdo da II não justifica a I e As afirmativas I e II não estão inteiramente corretas U3 Transmissão de energia elétrica 168 3 Suponha uma linha de transmissão LT de 60 Hz de circuito simples de comprimento de 120 km A carga na linha é de 50 MW com fator de potência unitário e a tensão na fonte é de 138 kV A impedância série é j k 0 3 0 9 m Ω e a admitância shunt j 3 20 10 6 Siemens km Com base nos dados apresentados anteriormente determine o valor da tensão no terminal de carga utilizando tanto o modelo de linhas curtas quanto o modelo de linhas médias para o mesmo problema A seguir calcule o erro entre os valores encontrados por ambos os modelos O valor da tensão obtida utilizando o modelo de LTs média em relação ao obtido pelo modelo de LTs curtas apresenta um erro relativo Por fim analise as afirmativas a seguir e assinale a que corretamente preenche a lacuna a que está no intervalo de 0 a 0499 b que está no intervalo de 05 e 0999 c que está no intervalo de 1 e 1499 d que está no intervalo de 15 e 1999 e superior a 2 U3 Transmissão de energia elétrica 169 Referências BRASIL Ministério do planejamento Mais de 3 mil quilômetros de linhas de transmissão recebem licenças do Ibama Disponível em httpwwwpacgovbrnoticia3ee196a9 Acesso em 27 out 2017 ELÉCTRIC Materiais Elétricos Material de distribuição isoladores Disponível em http wwweletricrscombreletricnovoprodutoslistasubcategoriaisoladores220 Acesso em 16 ago 2017 EMBRAMAT Isolador disco suspensão de porcelana Disponível em http embramataltatensaocombrlojaisoladordiscosuspensaodeporcelana Acesso em 16 ago 2017 FUCHS R D Transmissão de energia elétrica Linhas Aéreas v 1 Rio de Janeiro LTC 1977 Transmissão de energia elétrica Linhas Aéreas v 2 Rio de Janeiro LTC 1977 GLASSIAN Suspension and strain insulator Disponível em httpglassianorg Suspensionindexhtml Acesso em 16 ago 2017 PINTO M O Energia elétrica geração transmissão e sistemas interligados Rio de Janeiro LTC 2014 STEVENSON W D Elementos de análise de sistemas de potência 2 ed São PauloMacGrawHill do Brasil 1986 TECNOGERA Funcionamento da linha de transmissão de energia Disponível em httpwwwtecnogeracombrblogcomofuncionamlinhasdetransmissaode energiaeletrica Acesso em 16 ago 2017 WIKIMEDIA File ACSR ACCC Conductors JPG Arquivo inserido no repositório de imagens por Dave Bryant em 4 de janeiro de 2013 Disponível em httpscommons wikimediaorgwikiFileACSR26ACCCConductorsJPG Acesso em 16 ago 2017 ZANETTA JR L C Fundamentos de sistemas elétricos de potência São Paulo Ed Livraria da Física 2006 Unidade 4 Distribuição de energia elétrica Convite ao estudo Caro aluno lembre que a você já foram apresentados os fundamentos dos sistemas elétricos de potência na Unidade 1 enquanto nas Unidades 2 e 3 os sistemas de geração e transmissão de energia elétrica respectivamente foram explorados Nesta quarta Unidade por fim os sistemas de distribuição de energia elétrica correspondem ao último tópico de interesse Compreender esses conceitos é fundamental pois as maiores transformações que os sistemas elétricos têm sofrido nos últimos anos tais como a introdução de geração distribuída ex painéis solares nos telhados das casas turbinas eólicas em fazendas o aumento dos níveis de automação e automatização a introdução de avançadas infraestruturas de informação e monitoramento redes inteligentes redes ativas Smart Grids afetam diretamente a compreensão das redes de distribuição de energia elétrica Na primeira seção desta unidade abordaremos os conceitos básicos de sistemas de distribuição de energia elétrica destacando primordialmente as características das redes de distribuição primárias e secundárias Apresentaremos diversas topologias comumente aplicadas às redes de distribuição As características das cargas também serão foco de estudo para por fim apresentarmos e discutirmos quais são os fatores típicos de carregamento individual e como tais fatores são utilizados para avaliar o desempenho do sistema Na segunda seção por sua vez daremos andamento ao estudo de fatores típicos de carregamento Ao concluir isso a seção se desenvolverá a partir da apresentação de como as cargas podem ser classificadas e do quão desafiador é U4 Distribuição de energia elétrica 172 determinar essas cargas nas redes de distribuição de energia no Brasil e no mundo No fim abordaremos alguns conceitos de tarifação Na terceira e última seção apresentaremos métodos aproximados de modelagem e análise de redes de distribuição O mais conhecido e que será abordado é o método da varredura ou do inglês The BackwardForward Sweep Method Nesse contexto suponha que você é um engenheiro que trabalha em uma concessionária de energia do seu estado e é responsável tanto pelo planejamento como pela operação das redes de distribuição de energia dessa companhia Assim produzir e analisar relatórios relativos às redes de distribuição na empresa faz parte de suas competências Supondo que o seu gestor tem uma reunião agendada com executivos dessa empresa para apresentar quantitativos de desempenho operacional das redes elétricas sob sua responsabilidade seu gestor solicitou um relatório dividido em três etapas i produza e analise os fatores típicos de carregamento individual de um conjunto de consumidores pré selecionados ii de que maneira a análise dos fatores típicos de carregamento auxilia na verificação da eficiência da operação das redes e por fim conclua seu relatório apontando iii a necessidade ou não de os acionistas investirem mais em uma avançada infraestrutura de medição e controle dando ênfase à importância dos modelos matemáticos utilizados para avaliar o desempenho das redes elétricas o que consequentemente impacta diretamente a previsão de retorno de investimento No fim desta unidade portanto você será capaz de analisar operacionalmente uma série de fatores de interesse de concessionárias de energia elétrica e de avaliar os impactos causados por esses fatores Espero que você esteja entusiasmado para encarar mais esse desafio Bons estudos U4 Distribuição de energia elétrica 173 Seção 41 Introdução aos sistemas de distribuição de energia elétrica Diálogo aberto Caro aluno nesta seção você será apresentado a definições e aspectos introdutórios dos sistemas de distribuição de energia elétrica As características das cargas e os fatores típicos de carregamento individual desses sistemas também serão explicitados Tais tópicos são bastantes relevantes pois os termos aqui apresentados e discutidos são utilizados no dia a dia para a descrição de cargas variantes no tempo em redes de distribuição Retomando o cenário em que é um engenheiro que trabalha em uma concessionária de energia do seu estado suponha que você foi encarregado pelo gestor da sua área de elaborar um relatório em que em uma das seções conste a produção e a análise de fatores típicos de carregamento individual de três circuitos elétricos que compõem as redes sob supervisão da sua companhia A Tabela 41 ilustra a demanda para um circuito de iluminação pública um de carga residencial e um de carga industrial Fonte Kagan 2005 p 30 Tabela 41 Demanda para os três circuitos elétricos em kW Hora Ilum Publ Carga Residencial Carga Industrial Hora Ilum Publ Carga Residencial Carga Industrial 01 50 70 200 1213 130 900 12 50 70 200 1314 90 1100 23 50 70 200 1415 80 1100 34 50 70 350 1516 80 1000 45 50 80 400 1617 100 800 56 95 500 1718 420 400 67 90 700 1819 50 1450 400 78 85 1000 1920 50 1200 350 89 85 1000 2021 50 1000 300 910 85 1000 2122 50 700 200 1011 95 900 2223 50 200 200 1112 100 600 2324 50 50 200 U4 Distribuição de energia elétrica 174 Para executar tal tarefa é necessário que você identifique quais circuitos têm operado as suas instalações elétricas sob a condição de baixo fator de carga Após isso apresente para o seu gestor argumentos que sustentem a hipótese de que um baixo fator de carga afeta a arrecadação da concessionária Por fim explicite na sua análise que medidas poderiam ser tomadas para evitar tais valores de fator de carga Caro engenheiro você está motivado para resolver essa tarefa Um ótimo estudo e um bom trabalho Não pode faltar Os sistemas de distribuição de energia elétrica são comumente inseridos como parte dos sistemas elétricos de potência cuja definição engloba desde a subestação abaixadora de distribuição até os pontos em que estão conectados os consumidores finais Tais sistemas podem ser divididos em TOSTES 2007 KAGAN 2005 Rede de Distribuição Primária corresponde à média tensão no Brasil equivale à rede de 138 kV e compreende a subestação de distribuição ou subestação primária e os alimentadores primários Rede de Distribuição Secundária corresponde à baixa tensão no Brasil equivale à rede de 220127 V ou 380220 V e compreende os transformadores de distribuição os alimentadores secundários e os ramais de serviço ou de ligação As subestações de distribuição ou subestação primária podem ser alimentadas tanto por linhas de subtransmissão como por linhas de transmissão Dessas subestações partem os alimentadores primários que transportarão a energia elétrica até os transformadores de distribuição ou subestação secundária Dos transformadores de distribuição por fim partem os alimentadores secundários que transportarão a energia aos consumidores finais rede secundária Nesse cenário temse que a intensidade e a densidade de carga o tipo de consumidor a configuração o nível de tensão e o número de fases e de condutores são todos características de sistemas de distribuição a serem definidas em planejamento operação e projeto U4 Distribuição de energia elétrica 175 Nos sistemas de distribuição de energia os consumidores podem ser classificados como residencial rural comercial industrial e serviços públicos de modo que as configurações da rede de distribuição podem ser radiais em anel ou reticuladas Por outro lado no que se refere à classificação dos níveis de tensão temse que 69 e 345 kV são comuns para as redes de subtransmissão enquanto que 138 e 119 kV são comuns para as redes de distribuição primária e 380 220 e 127 V para as redes de distribuição secundária TOSTES 2007 Fatores determinantes para a escolha do tipo de sistema de distribuição a ser implantado se referem à qualidade do serviço desejada à disponibilidade de recursos e à taxa de retorno de investimentos Em redes de distribuição além disso temse que os principais critérios utilizados para avaliar a qualidade da prestação do serviço ou simplesmente da qualidade de serviço são continuidade segurança confiabilidade regulação de tensão simplicidade de operação flexibilidade e facilidade de manutenção O sistema de distribuição é uma das partes mais importantes dos sistemas elétricos de potência não apenas pela necessidade de altos investimentos mas também por ser ela quem define a dimensão dos sistemas de geração transmissão e subtransmissão considerando que os consumidores estão contidos nesse sistema Além disso sabe se que é na distribuição que grandes partes das perdas acontecem tipicamente as perdas tendem a assumir valores superiores a 50 do total das perdas dos sistemas elétricos Ademais é nos sistemas de distribuição em que há grande parte do retorno de investimentos e finalmente temse também que são esses sistemas que devem ser moldados para estarem em harmonia com o paisagismo de cidades e áreas rurais Os campos de estudo de sistemas de distribuição englobam os demais aspectos planejamento construção operação manutenção e comercialização Embora as redes de distribuição possam ser classificadas em redes aéreas e em redes subterrâneas basicamente tanto para o circuito do alimentador primário como para o circuito do secundário e sob diferentes arranjos que não serão o foco deste material têmse que há vantagens e desvantagens por optarmos por sistemas aéreos ou por sistemas subterrâneos U4 Distribuição de energia elétrica 176 Sistema Aéreo TOSTES 2007a Vantagens a Facilidade e baixo custo de implantação considerando que equipamentos com tecnologias avançadas como cabos isolados blindagem de transformadores galerias blindadas etc não são necessários b Baixa dificuldade de manutenção detecção e solução de problemas c Fácil concepção considerando que a implantação de postes o lançamento de cabos sustentados em cruzetas afixadas nos postes as conexões do sistema simples e a instalação de cabos e equipamentos podem ser feitas nos postes sem grandes desafios Desvantagens a Necessidade de grande espaço físico para atendimento de áreas com grande densidade de carga já que regiões de grande ocupação vertical incorrem na presença de altas concentrações de carga b Estética deficiente já que causa poluição visual em áreas de preservação ambiental ou preservação do patrimônio histórico por exemplo c Vulnerável a agentes externos já que quedas de galhos pipas vandalismo etc podem interromper seu funcionamento d Facilidade para roubo de energia elétrica já que cabos ficam expostos ao ar livre e Segurança comprometida já que mesmo intempéries podem causar interrupções no fornecimento f Elevado custo com manutenção Sistema Subterrâneo TOSTES 2007a Vantagens Confiabilidade dependente da configuração do sistema de modo que em decorrência das condições em que se localizam transformadores e cabos abrigados em locais adequados e livres de interferências externas há menos probabilidade de falha por eventos que não podem ser previstos ex temporais vandalismo acidente etc Desvantagens a Dificuldade e maior tempo de implantação considerando que há a necessidade de obras civis especializadas para a construção de dutos e galerias U4 Distribuição de energia elétrica 177 b Custo elevado devido à utilização de materiais e equipamentos elétricos consideravelmente mais caros que os utilizados em redes aéreas c Falta de mão de obra qualificada Os principais componentes de uma rede de distribuição de energia elétrica são postes estruturas primárias e secundárias cabos rede primária e secundária transformador equipamentos de proteção regulação de tensão e seccionamento pararaio fusível religador seccionalizador e ferragens e acessórios Pesquise mais Sobre os principais componentes de uma rede de distribuição de energia quais são os comprimentos típicos de postes Quais as seções nominais dos cabos e os materiais condutores tipicamente utilizados tanto para as redes primárias como secundárias Qual o objetivo dos equipamentos de proteção Para maiores informações sugerese leitura de Tostes 2007 p 4449 U4 Distribuição de energia elétrica 178 Classificação das Cargas Carga é a potência elétrica absorvida de uma fonte de suprimento por um equipamento elétrico ou por um conjunto de equipamentos de utilização Por extensão o próprio equipamento é denominado de carga Podese considerar como cargas carga de um consumidor carga de um transformador carga de um alimentador primário ou mesmo carga de uma subestação As cargas se classificam segundo vários critérios sendo os mais comuns a Localização Geográfica de acordo com a localização geográfica do consumidor podese classificar as cargas como urbanas suburbanas e rurais b Quanto à sensibilidade algumas cargas são consideradas de maneira especial pelo fato de serem muito dependentes do suprimento É o caso de grandes hospitais e certas fábricas Assim classificamse as cargas quanto à sensibilidade como sensíveis qualquer interrupção mesmo que momentânea acarreta em prejuízos enormes ex hospitais certas indústrias etc semisensíveis interrupções de cerca de 10 min não causam os prejuízos das cargas sensíveis ex comércio prédios residenciais etc e normais ex casas residenciais pequenos comércios etc c Pagamento ou rentabilidade quanto ao faturamento pequenos médios e grandes consumidores d Grau de dependência do suprimento são aquelas que sentem qualquer variação de tensão Exemplo fornos a arco fábricas com processamento automatizados etc e Tipo de atividade de acordo com os tipos de atividade as cargas se classificam em industrial comercial residencial e de serviço público Essa classificação vale inclusive para a definição da tarifa A classificação da carga pelo tipo de atividade é a mais usada nos estudos de distribuição f Ciclo de trabalho transitórias cíclicas transitórias acíclicas ou contínuas Ao longo de uma linha de distribuição de energia elétrica ficam instalados diferentes tipos de consumidores consequentemente com diferentes hábitos de consumo Para que a empresa distribuidora de energia possa realizar suas atividades de prestação de serviço de fornecimento de energia elétrica agrupamse esses consumidores por classes de consumo que são estabelecidas a partir de um U4 Distribuição de energia elétrica 179 processo que as caracteriza por meio da identificação e da análise do comportamento da carga do consumidor e do sistema elétrico Com a caracterização da carga de consumidores e do sistema elétrico em todos os níveis de tensão é possível mensurar os custos marginais de uso do sistema de distribuição e definir tarifas ou seja são os custos de quanto se gasta financeiramente para a produção de mais 1 um kWh Esses valores são estabelecidos através do cruzamento das curvas de carga de consumidores com as da rede elétrica identificando quais tipos de consumidores terão maior custo A representação gráfica da carga em função do tempo se denomina curva de carga Dependendo do intervalo de tempo considerado para essa representação temos curvas de carga diária semanal mensal ou anual Em geral um consumidor tem curva de carga diferente a cada dia Mesmo diferentes essas curvas guardam uma forma que é própria do consumidor e que serve para definir o grupo em que se enquadra Um consumidor residencial típico como ilustra a Figura 41a utiliza energia em maior quantidade entre 17 e 22 horas Dentro desse intervalo o consumo é ainda maior das 19 às 21 horas por força da carga de iluminação Na carga comercial Figura 41b as solicitações normalmente ocorrem a partir dos horários comuns de início dos serviços 8 9 horas e sofre queda acentuada após o encerramento do expediente 18 horas Em indústrias que funcionam em dois turnos a carga diminui na hora do almoço e se reduz a um mínimo por volta das 18 horas que se mantém até o início do turno no dia seguinte As cargas de processamento contínuas como fornos não são desligadas durante a noite Uma curva típica de carga industrial está na Figura 41c A carga de iluminação pública de uma forma geral é bem definida Figura 41d Fica ligada do período das 18 h às 6 h e desligada das 6 às 18 h U4 Distribuição de energia elétrica 180 Fonte adaptada de Tostes 2007a p 57 Figura 41 Curva típica de carga a residencial b comercial c industrial e de d iluminação pública a Residencial c Industrial b Comercial d Iluminação Pública Fatores Típicos de Carregamento Individual Os fatores típicos de carregamento utilizados em sistemas de distribuição são a Demanda b Máxima Demanda c Demanda Média d Fator de carga e Demanda diversificada f Máxima Demanda Diversificada Refl ita A curva de carga total de um sistema distribuidor nada mais é do que a composição das cargas das diversas classes de consumidores Nas redes de distribuição em que nó do sistema podemos identificar uma curva de carga que represente a composição de um conjunto de cargas Na subestação primária Na subestação secundária No ramal de entrada de uma casa Justifique U4 Distribuição de energia elétrica 181 g Curva de Duração de Carga h Máxima Demanda NãoCoincidente i Fator de diversidade j Fator de demanda k Fator de utilização l Diversidade da carga Nesta seção abordaremos de ad e na Seção 2 desta unidade os demais itens Sendo assim temos que KERSTING 2012 a Demanda para definir a carga a curva de demanda é dividida em intervalos de tempo iguais Na Figura 42 o intervalo de tempo selecionado é de 15 minutos Em cada intervalo o valor médio da demanda é determinado Na Figura 42 as linhas retas representam a carga média em um intervalo de tempo Quanto menor o intervalo de tempo mais preciso será o valor da carga Esse processo é muito semelhante à integração numérica O valor médio da carga em um intervalo é definido como a demanda de 15 minutos de kW A curva de demanda de 24 minutos de kW de 15 minutos para um cliente é mostrada na Figura 43 Essa curva é desenvolvida a partir de uma planilha que dá a demanda de 15 minutos de kW por um período de 24 horas Exemplificando Um consumidor industrial tem uma carga que apresenta demanda instantânea de 20 kW e se mantém constante durante dois minutos ao fim dos quais passa bruscamente para 30 kW mantémse constante durante dois minutos e assim continua de 10 em 10 kW até atingir 70 kW quando se mantém constante por dois minutos ao fim dos quais cai abruptamente para 20 kW e repete o ciclo Determine a demanda dessa carga com intervalos de demanda de 10 15 e 30 minutos admitindose que o instante inicial seja o correspondente ao princípio dos dois minutos com 20 kW KAGAN 2005 Solução Demanda com intervalo de 10 minutos Demanda kW min min min 10 20 30 40 50 60 2 10 40 U4 Distribuição de energia elétrica 182 b Demanda Máxima a curva de demanda mostrada na Figura 43 representa um cliente residencial típico Cada barra representa a demanda de 15 minutos de kW Observe que durante o período de 24 horas há uma grande variação na demanda Esse cliente particular tem três períodos em que a demanda de kW excede 60 kW A maior delas é a demanda máxima de 15 minutos no kW Para tal cliente a demanda de kW máxima de 15 minutos ocorre às 13h15 e tem um valor de 618 kW Fonte adaptada de Kersting 2002 p 13 Fonte adaptada de Kersting 2002 p 14 Figura 42 Curva de demanda de um consumidor Figura 43 Curva de demanda de um consumidor ao longo das 24h Demanda com intervalo de 15 minutos Demanda kW min 15 20 30 40 50 60 70 20 2 30 1 15 40 6 Demanda com intervalo de 30 minutos Demanda kW min 30 20 30 40 50 60 70 4 20 30 40 2 30 42 U4 Distribuição de energia elétrica 183 c Demanda Média durante o período de 24 horas a energia kWh será consumida A energia em KWh usada durante cada intervalo de tempo de 15 minutos é calculada por kWh kW demanda hora 15 1 4 min A energia total consumida durante o dia é a somatória de todos os consumos de intervalos de 5 minutos A partir da planilha a energia total consumida durante o período pelo Cliente é de 5896 kWh A demanda média de kW de 15 minutos é calculada por DemandaMédia Energia Total Horas kW 58 96 24 2 46 d Fator de Carga é um termo frequentemente usado ao descrever uma carga definido como a proporção da demanda média para a demanda máxima Em muitos aspectos o fator de carga fornece uma indicação de quão bem as instalações da concessionária estão sendo utilizadas Do ponto de vista da concessionária o fator de carga ótimo seria 1 uma vez que o sistema deve ser projetado para lidar com a demanda máxima Às vezes as empresas de serviços públicos incentivarão os clientes industriais a melhorarem seus fatores de carga Um método de encorajamento é penalizar o cliente na conta de energia por ter um baixo fator de carga Para o cliente na Figura 43 o fator de carga é calculado como Fator deC a DemandaMédia kW Demanda kW arg min min 15 15 2 46 6 18 0 40 Máxima Assimile Em suma temse que os fatores típicos de carregamento podem ser definidos como KERSTING 2002 a Demanda é a carga média em um período específico de tempo A carga pode ser kW kVAr kVA ou A Deve incluir o intervalo de tempo Exemplo a demanda de 15 minutos de kW é de 100 kW b Demanda máxima é o maior de todos os pedidos que ocorrem durante um horário específico Deve incluir intervalo de demanda período e unidades Exemplo a demanda máxima de kW de 15 minutos para a semana foi 150 kW U4 Distribuição de energia elétrica 184 Sem medo de errar Retome o cenário em que você é um engenheiro que trabalha em uma concessionária de energia do seu estado Com base nos dados apresentados na Tabela 41 você foi encarregado de elaborar um relatório de fatores típicos de carregamento individual de três circuitos elétricos que compõem as redes sob supervisão da sua companhia Para realizar tal tarefa é necessário que você identifique quais circuitos têm operado as suas instalações elétricas sob a condição de baixo fator de carga Para iniciar o cálculo dos fatores de carga dos circuitos com cargas residenciais industriais iluminação pública e do conjunto primeiramente se determinam as energias absorvidas diariamente por cada circuito que são dadas por εilum publ kWh 12 50 600 εresidencial 4 70 80 95 90 3 85 95 100 130 90 2 80 100 420 1450 1200 1000 700 200 50 6 495 kWh εindústria 3 200 350 400 500 700 3 1 000 900 600 900 2 1 1 00 1 000 800 2 400 350 300 3 2000 14 000 kWh εconjunto kWh 600 6 495 14 000 21 095 Em seguida identificamos as demandas máximas diárias alcançadas em cada um dos circuitos e pelo conjunto Demanda kW ilum publ 50 Máxima Demanda residencial 1 450kW Máxima Demanda indústria 1 100kW Máxima Demanda conjunto 1 900kW Máxima Por fim com os dados de energia e demandas máximas determinaremos os fatores de carga de acordo com os cálculos a seguir c Demanda média é a média das demandas durante um período específico dia semana mês etc Deve incluir intervalo de demanda período e unidades Exemplo a demanda média de 15 minutos para o mês foi 350 kW d Fator de carga razão da demanda média de qualquer cliente individual ou grupo de clientes durante um período até a demanda máxima no mesmo período U4 Distribuição de energia elétrica 185 f c arga ilum publ 600 50 24 0 50 50 f c a residencial arg 6 495 1 450 24 0 186 18 6 f c a indústria arg 14 000 1 100 24 0 53 53 f c a conjunto arg 21 095 1 900 24 0 462 46 2 Com base nos resultados obtidos você é capaz de apontar no relatório que deve elaborar para o seu gestor que o circuito que alimenta as cargas residenciais apresenta os mais baixos fatores de carga Além disso é importante que você ressalte que um baixo fator de carga afeta a arrecadação da concessionária pois quanto maior o fator de carga maior será o seu desempenho no quesito fornecimento de energia elétrica venderá mais energia com menor investimento em infraestrutura cabos postes etc Nesse cenário portanto a fim de aumentar a eficiência operacional dos circuitos elétricos e aumentar o fator de carga reduzindo custos sugerese que a concessionária estabeleça critérios por exemplo para penalizar o cliente na conta de energia por ter um baixo fator de carga Assim o cliente deverá buscar alternativas para realizar um eficiente controle de demanda isto é desligamento de cargas não essenciais durante momentos de pico uma maior transferência de consumo isto é programar o consumo de energia de algumas atividades produtivas para horários de baixa demanda estimular a geração local isto é empregar geradores nos horários de ponta substituindo a concessionária local etc Por fim incluindo tais informações em seu relatório você será capaz de atender à solicitação do seu gestor e consequentemente identificar pontos que podem e devem ser melhorados com o intuito de reduzir custos para a companhia em que você trabalha Avançando na prática Fatores típicos de carregamento Descrição da situaçãoproblema Caro aluno compreender e aplicar os fatores típicos de carregamento é crucial quando estamos analisando redes de distribuição de energia elétrica Por isso considere que você é um engenheiro prestador de serviço responsável por propor novas medidas de eficiência energética para quatro consumidores U4 Distribuição de energia elétrica 186 Fonte Adaptada de Kersting 2002 p 33 Tabela 42 Consumo de energia de quatro consumidores individuais durante 1h do dia Hora Cliente 1 Cliente 2 Cliente 3 Cliente 4 kW kW kW kW 1700 h 881 496 1104 144 1715 h 212 316 704 162 1730 h 948 708 768 246 1745 h 716 508 608 084 1800 h 604 312 432 112 Para tal todavia você precisa determinar a máxima demanda e b demanda média Caro engenheiro espero que você esteja animado para resolver essa nova tarefa Resolução da situaçãoproblema Para finalmente propor medidas que aumentem a eficiência energética dos quatro consumidores em análise primeiramente devemos determinar a Máxima demanda Fonte Adaptada de Kersting 2002 p 33 Tabela 43 Máxima demanda e horário de ocorrência Cliente 1 Cliente 2 Cliente 3 Cliente 4 kW kW kW kW 948 708 1104 246 Hora Hora Hora Hora 1730h 1730h 1700h 1730h b Demanda Média kWh kW demanda hora Cliente1 15 1 4 8 81 2 12 9 48 7 16 6 min 04 4 8 4025 kWh kWh kW demanda hora Cliente 2 15 1 4 4 96 3 16 7 08 5 08 3 min 12 4 5 85 kWh kWh kW demanda hora Cliente3 15 1 4 11 04 7 04 7 68 6 08 min 4 32 4 9 04 kWh conectados à rede de distribuição da concessionária local conforme Tabela 42 U4 Distribuição de energia elétrica 187 Faça valer a pena 1 Embora as redes de distribuição possam ser classificadas em redes aéreas e em redes subterrâneas basicamente tanto para o circuito do alimentador primário como do secundário e sob diferentes arranjos sabe se que há vantagens e desvantagens por optarmos por sistemas aéreos ou por sistemas subterrâneos A respeito dos sistemas subterrâneos analise as afirmativas a seguir sobre as desvantagens de tais sistemas I Necessidade de grande espaço físico para atendimento de áreas com grande densidade de carga II Custo de implementação elevado III Pouco vulnerável a agentes externos IV Dificuldade para roubo de energia elétrica V Menor confiabilidade Com base nas afirmativas sobre as desvantagens dos sistemas subterrâneos acima analise as afirmativas a seguir que classificam as afirmativas como verdadeiras V ou falsas F e assinale a correta a V V V F V b V V F F V c F V F F F d F F F F F e F F V V V kWh kW demanda hora Cliente 4 15 1 4 1 44 1 62 2 46 0 84 1 min 12 4 1 87 kWh Como a demanda média é dada pela expressão DemandaMédia Energia Total Horas e o número de horas em análise é 1 hora logo a demanda média para cada cliente coincide com os resultados obtidos de energia total consumida Dessa maneira com os valores de demanda média e máxima você poderá dar andamento à sua análise propondo melhorias no que se refere à eficiência energética desses quatro clientes 2 Ao longo de uma linha de distribuição de energia elétrica ficam instalados diferentes tipos de consumidores ex residencial comercial industrial iluminação pública consequentemente com diferentes hábitos de consumo Para que a empresa distribuidora de energia possa realizar suas atividades de prestação de serviço de fornecimento de energia elétrica agrupa esses consumidores por classes de consumo que são estabelecidas a partir de um processo que as caracteriza a partir da U4 Distribuição de energia elétrica 188 A figura apresentada anteriormente diferentemente do que foi contextualizado sobre agregar diferentes tipos de cargas possui um perfil de carga característico de um dos diferentes tipos de consumidores Assim analise a figura acima e assinale a alternativa que corretamente relaciona o perfil de carga apresentado com o tipo de consumidor a Perfil de carga residencial b Perfil de carga industrial c Perfil de carga comercial d Perfil de carga de iluminação pública e Perfil de carga residencial em composição com iluminação pública Fonte Cagnon Valarelli Rodrigues 2006 p 3 Figura 44 Curva de carga 3 Os fatores típicos de carregamento utilizados em sistemas de distribuição são a Demanda b Máxima demanda c Demanda média d Fator de carga e Demanda diversificada f Máxima demanda diversificada g Curva de duração de carga h Máxima demanda nãocoincidente i Fator de diversidade j Fator de demanda identificação e da análise do comportamento da carga do consumidor e do sistema elétrico Considerando o contexto de curvas de carga de redes de distribuição analise a Figura 44 a seguir U4 Distribuição de energia elétrica 189 Fonte elaborada pelo autor k Fator de utilização l Diversidade da carga Sobre a demanda temse que é a carga média em um período específico de tempo que pode ser expressa em kW kVAr kVA ou A e deve incluir o intervalo de tempo 1 3 5 2 4 Figura 45 Situações apresentadas na questão A respeito do cálculo de demanda de um consumidor individual analise os gráficos apresentados na Figura 45 e assinale a alternativa que indica a figura que apresenta a maior demanda média ao longo das 5 horas em análise a Figura 45 1 b Figura 45 2 c Figura 45 3 d Figura 45 4 e Figura 45 5 U4 Distribuição de energia elétrica 190 Seção 42 Fatores típicos das cargas Diálogo aberto Caro aluno nesta seção prosseguimos com o estudo dos fatores típicos de carregamento em redes de distribuição iniciado na seção anterior Assim você será capacitado a conhecer e compreender as principais métricas utilizadas para avaliar e descrever o comportamento das cargas que está constantemente se alterando com o ligardesligar de componentes eletroeletrônicos ex lâmpadas computadores etc em redes de distribuição de energia elétrica Nesse cenário portanto como redes de distribuição tipicamente carecem de equipamentos de medição ao longo dos seus alimentadores veremos também a importância do estudo de alocação de cargas Você deverá compreender que como muitas vezes não existem medidores para quantificar a demanda em kW dos clientes conectados às redes de distribuição a cada intervalo de tempo há maneiras de estimar tal demanda com base na análise do histórico do perfil de consumo de energia elétrica de cargas similares Por fim uma apresentação geral sobre os aspectos de tarifação é abordada para a compreensão de como as concessionárias realizam a precificação da energia elétrica Sendo assim ainda supondo que você trabalha em uma concessionária de energia do seu estado e que você é responsável tanto pelo planejamento como pela operação das redes de distribuição de energia da companhia neste momento você dará prosseguimento à elaboração de um relatório para o seu gestor apontando De que maneira a análise dos fatores típicos de carregamento utilizados em redes de distribuição auxiliam na verificação da eficiência da operação das redes Além disso qual a importância de se conhecer o comportamento no consumo da energia elétrica realizado pelos clientes da sua companhia Por que uma análise bem fundamentada é importante Caro engenheiro você está animado para aprender como resolver mais essa tarefa Bons estudos e uma boa jornada U4 Distribuição de energia elétrica 191 Não pode faltar Fatores típicos de carregamento coletivo e Demanda diversificada é a soma das demandas individuais em um instante de tempo t Assim para n cargas com suas demandas individuais dadas por D t i sendo i n 1 definese a demanda diversificada D t div como D t D t div i i n 1 f Demanda máxima diversificada é a maior de todas as demandas diversificadas que ocorreram em um período especificado de tempo Assim assumindo que a demanda máxima diversificada Ddiv max teve ocorrência em um instante de tempo ta temos que D D t D t div div a i a i n max 1 Assimile A demanda máxima do sistema ie demanda máxima diversificada não será igual à soma das demandas máximas individuais g Curva de Duração de Carga é uma curva que permite estabelecer durante quanto tempo a demanda não é menor que um certo valor A Figura 46 ilustra uma dada curva de duração de carga de um transformador que mostra demanda versus porcentagem de tempo em que opera acima de um determinado valor de demanda kW Por exemplo temse que o transformador opera em 12 kW ou acima durante 22 do tempo Uma das funcionalidades desse tipo de análise é verificar quando um transformador por exemplo deve ser substituído devido a estar exposto a condições de sobrecarga Fonte Adaptada de Kersting 2002 p 17 Figura 46 Curva de duração de carga de um transformador U4 Distribuição de energia elétrica 192 h Demanda máxima nãocoincidente a demanda máxima não coincidente Dncoinc max é a soma das demandas máximas individuais Di max sendo portanto dada pela expressão D D ncoinc i i n max max 1 i Fator de diversidade o fator de diversidade fdiv é a demanda máxima nãocoincidente Dncoinc max sobre a demanda máxima diversificada Ddiv max sendo assim dado pela expressão f D D D D div ncoinc div i i n div max max max 1 max Uma das utilidades do fator de diversidade FD é que conhecendoo tornase possível encontrar a demanda máxima diversificada Na prática há concessionárias que têm os valores de n tabelados conforme o número de cargas n conectados a um nó vide Tabela 44 Fonte Adaptada de Kersting 2002 p 18 Tabela 44 Fatores de diversidade FD n FD n FD n FD n FD n FD n FD n FD 1 100 11 267 21 290 31 305 41 313 51 315 61 318 2 160 12 270 22 292 32 306 42 313 52 315 62 318 3 180 13 274 23 294 33 308 43 314 53 316 63 318 4 210 14 278 24 296 34 309 44 314 54 316 64 319 5 220 15 280 25 298 35 310 45 314 55 316 65 319 6 230 16 282 26 300 36 310 46 314 56 317 66 319 7 240 17 284 27 301 37 311 47 315 57 317 67 319 8 255 18 286 28 302 38 312 48 315 58 317 68 319 9 260 19 288 29 304 39 312 49 315 59 318 69 320 10 265 20 290 30 305 40 313 50 315 60 318 70 320 j Fator de demanda é a relação entre a demanda máxima Dmax de uma carga em um intervalo de tempo considerado e a carga nominal Dnom ou instalada total do cliente ou sistema considerado Assim temse que o fator de demanda fdem é dado por f D D dem nom max U4 Distribuição de energia elétrica 193 Exemplifi cando Exemplifi cando Suponha que em um dia a demanda máxima 15 min para um cliente seja de 618 kW Além disso supondo que a soma de todos os valores nominais dos componentes elétricos na instalação do cliente totalize o valor de 35 kW determine o fator de demanda dessa instalação Solução f D D dem nom max 6 18 35 0 1766 O fator de demanda em suma fornece uma indicação da porcentagem dos equipamentos que estão conectados quando a demanda máxima ocorre Logo temse que no dia analisado somente 1766 da carga total que poderia ser demandada por essa instalação foi energizada durante o seu período de demanda máxima Suponha que um transformador de 15 kVA esteja servindo 4 cargas Sabendo que a demanda máxima diversificada desse elemento é de 1616 kW e o fator de potência é de 09 determine o fator de utilização do transformador Solução f D em kVA C util sist max 16 16 0 9 15 1197 k Fator de utilização é a relação entre a demanda máxima Dmax de uma carga ou sistema em um intervalo de tempo considerado e a sua capacidade Csist demanda máxima suportada Assim temse que o fator de utilização futil é dado por f D C util sist max Esse fator quando aplicado a um equipamento elétrico ex máquina de arcondicionado a um sistema ou a parte de um sistema ex condutores de um sistema de distribuição é importante porque fornece a potência média consumida nas condições de utilização Assimile Enquanto o fator de demanda mostra a porcentagem de potência instalada que está sendo utilizada o fator de utilização mostra a porcentagem de capacidade do sistema usada U4 Distribuição de energia elétrica 194 O fator de utilização em suma fornece uma indicação sobre a real utilização de um equipamento elétrico Logo temse que no dia analisado o transformador atingiu em 1197 da sua capacidade máxima ou seja operou durante parte do dia com a sua capacidade máxima excedida em 197 essa condição operativa não é desejável l Diversidade da carga é a diferença entre a demanda máxima nãocoincidente Dncoinc max e a demanda máxima diversificada Ddiv max Assim temse que a diversidade de carga é dada por Diversidade de c a D D ncoinc div arg max max Conceito geral de alocação de carga Em redes de distribuição de energia elétrica é muito comum que a medição de parâmetros elétricos ex tensão corrente potência energia etc ocorra na subestação primária de modo que tais parâmetros no restante do sistema são tipicamente desconhecidos por falta de equipamentos de medição ao longo de seus alimentadores A principal razão disso são os custos dos equipamentos e da infraestrutura que seria necessária para a aquisição desses dados para o processamento e para as ações de controle Para melhor compreendermos isso observe a Figura 47 a seguir Fonte adaptada de Kersting 2002 p 22 Figura 47 Trecho de uma rede de distribuição e suas cargas Da Figura 47 temse que a curva de demanda e os demais parâmetros elétricos são conhecidos somente no nó N1 subestação primária sendo seus valores apenas estimados matematicamente para os nós N2 e N3 Nas cargas de 1 a 5 conectadas à subestação secundária T1 e nas cargas 6 a 11 conectadas à subestação U4 Distribuição de energia elétrica 195 secundária T2 no entanto nem sempre há elementos de medição para os mais variados parâmetros elétricos havendo somente com certeza os medidores de energia medição de kWh pelos quais mensalmente funcionários das concessionárias de energia verificam os valores para a composição da fatura mensal de energia de cada consumidor Nesse cenário portanto como saber a demanda kW de cada consumidor Para conhecer tal valor fazse necessário um estudo de alocação de cargas O estudo de alocação de cargas consiste em aplicar uma metodologia para com base nas informações disponíveis estimar a demanda kW de clientes individuais ao longo das redes de distribuição Para determinar a demanda máxima de clientes individuais portanto algumas empresas de serviços públicos realizaram um levantamento de carga de clientes similares a fim de determinar a relação entre o consumo de energia em kWh e a demanda máxima em kW Assim com a estimativa da demanda máxima de cada cliente estimam se também a demanda máxima diversificada de grupos de clientes Por fim com esses dados o fator de diversidade também pode ser calculado KERSTING 2002 Considere que um estudo de alocação de carga foi realizado no sistema da Figura 46 e que as seguintes informações para os transformadores T1 e T2 foram obtidas conforme Tabelas 45 e 46 Fonte Kersting 2002 p 23 Fonte Kersting 2002 p 23 Tabela 45 Transformador T1 Tabela 46 Transformador T2 Cliente 1 2 3 4 5 kWh 1523 1645 1984 1590 1456 kW 124 134 161 129 119 Cliente 6 7 8 9 10 11 kWh 1235 1587 1698 1745 2015 1765 kW 101 129 138 142 163 143 Exemplifi cando U4 Distribuição de energia elétrica 196 De modo que se verificou que os fatores de diversidade são 220 no transformador T1 230 no transformador T2 e fator de potência 09 para ambos os transformadores Determine a máxima demanda não coincidente a máxima demanda diversificada e a máxima demanda em cada transformador Solução T1 Máx em ão coinc kW d n 12 4 13 4 16 1 12 9 11 9 66 7 Máx em div Máx dem nãocoinc fator dediversidade d 66 7 2 20 30 3 kW Máx emanda Máx dem div fator de potência d T1 30 3 0 90 33 7kVA T2 Máx em ão coinc kW d n 12 9 13 8 14 2 16 3 14 3 17 0 81 6 Máx em div Máx dem nãocoinc fator dediversidade d 81 6 2 30 35 5 kW Máx emanda Máx dem div fator de potência d T2 35 5 0 90 39 4kVA Nos sistemas de distribuição de energia elétrica é de suma importância que você compreenda que a curva de demanda de um alimentador valor agregado tipicamente não apresenta mudanças abruptas na demanda vide Figura 48a como as que são tipicamente evidenciadas em uma curva de demanda de um único cliente individual vide Figura 48b ou as mudanças semiabruptas em curvas de demanda de transformadores Fonte adaptada de Kersting 2002 a p 20 b p 15 Figura 48 Curva de carga verificada em um a alimentador primário e em b uma carga a b U4 Distribuição de energia elétrica 197 A explicação para isso é que com várias centenas de clientes atendidos pelo alimentador é comum que quando um cliente está desligando uma lâmpada outro cliente usará uma lâmpada A carga do alimentador portanto não experimenta um salto como seria observado na curva de demanda de um cliente individual Por fim temse que atualmente muito se discute sobre redes ativas ou redes inteligentes de energia Smart Grids nas quais a premissa de que redes de distribuição carecem de medição é substituída por um conceito em que as concessionárias investem em avançadas infraestruturas de monitoramento e controle de suas redes Nestas medidores inteligentes Smart Meters são instalados ao longo de toda a rede de distribuição a fim de que os parâmetros elétricos em quaisquer pontos do sistema sejam conhecidos e não mais necessitem de estimativas com tanta imprecisão Pesquise mais Será que as redes ativas necessitariam de metodologias para a alocação de cargas Qual a finalidade de se conhecer os parâmetros elétricos em qualquer ponto das redes de distribuição Para mais informações sugerese leitura em Cemig 2017 Tarifação de energia elétrica A tarifa de energia elétrica nada mais é do que a remuneração que será dada à concessionária pelos investimentos em infraestrutura para a distribuição de energia elétrica ex postes cabos etc e pelos custos operacionais ex operação manutenção etc Dessa forma temse que a precificação da energia elétrica é dada com base na demanda máxima que tipicamente tem duração diária de duas horas e na energia absorvida montante total de energia consumido ao longo do tempo Dentro dos tipos de modalidades tarifárias portanto define se essa tarifa como tarifa binômia Para melhor compreendermos como se aplica observe a Figura 49 a seguir KAGAN 2005 U4 Distribuição de energia elétrica 198 Fonte adaptada de Kagan 2005 p 44 Figura 49 Curvas de carga diárias para consumidores 1 e 2 Fazendo uma comparação entre os consumidores 1 e 2 no quesito energia absorvida e demanda máxima da Figura 49 é possível observar que o consumidor 1 apresenta baixo fator de carga alta demanda máxima 50 kW e baixa energia absorvida 200 kWh O consumidor 2 por sua vez apresenta alto fator de carga baixa demanda máxima 20 kW e alta energia absorvida 380 kWh Se a tarifação fosse monômia apenas com base na energia absorvida o consumidor 1 pagaria somente 526 do valor total da conta que o consumidor 2 deveria pagar Tal tarifa não seria coerente pois a concessionária investiu muito mais em infraestrutura para garantir o fornecimento dos 50 kW demandados pelo consumidor 1 entre 10001100 h Para sanar isso na tarifa binômia temse então que o faturamento mensal da concessionária é dado por KAGAN 2005 Consumidor 1 50 200 C C demanda kW energia kWh Consumidor 2 20 380 C C demanda kW energia kWh sendo Cdemanda kW a tarifa mensal relativa à demanda dado em R kW mês e Cenergia kWh a tarifa mensal de energia dado em R kWh Dessa maneira o consumidor 1 pagaria por 714 do investimento em infraestrutura e por 345 do custo operacional total enquanto o consumidor 2 pagaria por 286 do investimento em infraestrutura e por 655 do custo operacional total Vale ressaltar que determinar a tarifa de energia é bem mais complexo do que o que foi ilustrado anteriormente pois na prática ao invés das demandas máximas individuais a demanda diversificada observada seria 50 15 65 kW sendo coerente por exemplo que U4 Distribuição de energia elétrica 199 o consumidor 2 pagasse somente a demanda máxima no horário de pico 15 kW Além disso fatores como disponibilidade de água nos reservatórios estação do ano período de seca ou de chuva etc devem ser levados em consideração e a complexidade envolvida não cabe ser aprofundada neste material didático Reflita Você consegue imaginar o quão complexo é determinar a tarifa de energia Você seria capaz de compreender a conta de energia que chega à sua casa Onde você vê na sua conta de energia o valor pago pelo uso da infraestrutura da rede elétrica Por que a tarifa que você paga pela energia absorvida é de 050 RkWh por exemplo Quem define esse valor Sem medo de errar Retomando o cenário em que você é um engenheiro que trabalha em uma concessionária de energia do seu estado nesta etapa a sua tarefa é dar prosseguimento à elaboração de um relatório apontando de que maneira produzir e analisar corretamente os fatores típicos de carregamento impactam a operação das redes de distribuição Nesse contexto não esqueça de destacar a importância de se conhecer o perfil de carga dos clientes conectados às redes que sua companhia gerencia Além disso é importante também que você contextualize como tais análises podem impactar no retorno do investimento dos acionistas da sua empresa Os fatores típicos de carregamento consistem basicamente em um conjunto de informações que de alguma forma representam o comportamento do sistema em relação aos padrões de consumo de energia kWh e de demanda kW Tais informações portanto são o alicerce para uma concessionária de energia ser capaz de avaliar o seu desempenho operacional e planejar novos investimentos de manutenção e de expansão Assim no seu relatório você deve deixar claro que produzir tais valores para os fatores típicos de carregamento com o mínimo de incertezas possível é importantíssimo para que concessionárias de energia elétrica possam realizar análises sobre esses dados e por fim serem capazes de traçar planos de ação de curto médio e longo prazo U4 Distribuição de energia elétrica 200 Para melhor compreendermos a importância desses fatores imagine por exemplo que as redes que você gerencia não possuam muitos equipamentos de medição e que você não conhece bem o perfil de consumo dos clientes conectados a esses sistemas Como consequência vamos supor que você definiu uma metodologia para estimar a alocação de cargas desses clientes mas que você superestimou os valores das demandas máximas diversificadas A demanda máxima diversificada deve ser sempre menor que a capacidade de condução de energia elétrica de todos os equipamentos envolvidos no transporte ou na transformação dessa energia ex condutores dos alimentadores primários condutores dos alimentadores secundários transformadores das subestações etc caso contrário falhas podem ocorrer inclusive podendo causar acidentes ex incêndio explosão etc Nesse contexto os seus dados superestimados seriam utilizados pela equipe de engenheiros responsável pelo planejamento da expansão e eles concluíram que por exemplo ao invés de agendar uma ordem de expansão da rede apenas para 15 anos a partir da data atual caso você estivesse produzindo demandas máximas diversificadas com exatidão agendariam uma ordem de expansão da rede para 6 anos a partir da data atual Isso elevaria desnecessariamente os custos operacionais do sistema gerenciado pela empresa que você trabalha e antecipariam custos de investimento em infraestrutura compra e instalação de equipamentos mão de obra etc sujeitando os inclusive a uma depreciação mais precoce Agora imagine que você tivesse subestimado as demandas máximas diversificadas A análise seria o oposto da apresentada Você sugeriria um investimento em expansão para 15 anos a partir da data atual enquanto haveria a necessidade de uma expansão em 6 anos As consequências poderiam ser até mais graves pois a rede operaria em sobrecarga e provavelmente sofreria interrupção no fornecimento por alguma falha Para a concessionária de energia a interrupção no fornecimento acarreta sempre prejuízo à sua imagem ao seu faturamento além de eventuais perdas impostas pelos órgãos reguladores Para a região afetada os prejuízos estão associados à impossibilidade de garantir a continuidade da atividade produtiva ex indústrias comércios etc afetando diretamente a redução de faturamento e em casos U4 Distribuição de energia elétrica 201 específicos como de frigoríficos por exemplo em perda de insumos se a interrupção persistir por um determinado período de tempo em que não consigam mais serem mantidos conservados Conhecer bem o perfil de carga dos clientes conectados às redes de distribuição de energia elétrica portanto é essencial para que uma empresa de energia elétrica seja competitiva no mercado Inclusive essa tendência dos mercados atuais de adotarem o conceito de Smart Grids é uma forma que notadamente reconhece a criação de valor os benefícios a concessionárias com o aumento da eficiência operacional o fortalecimento do relacionamento com clientes a otimização de investimentos o aumento da confiabilidade a redução de perdas elétricas o desenvolvimento de novas parcerias e novos negócios a clientes com a redução de custos a modicidade tarifária o aumento da eficiência energética o acesso a novas fontes de energia a participação em novos mercados a governos com a redução de custos a implementação de novos planos tarifários o aumento dos índices de qualidade da energia a implementação da geração distribuída em larga escala e a outras partes interessadas com o desenvolvimento de pesquisa o desenvolvimento da cadeia produtiva a geração de empregos o desenvolvimento de novos negócios e novas parcerias No caso das Smart Grids tudo isso seria possível mediante a adoção de tecnologias mais avançadas de monitoramento e controle dos elementos da sua rede e aplicação de soluções inteligentes para o gerenciamento desses elementos Por fim os acionistas de concessionárias de energia elétrica devem ter interesse máximo em que os fatores típicos de carregamento sejam produzidos da melhor forma possível pois todo o planejamento e consequentemente os investimentos dessas empresas dependem não apenas da qualidade da equipe de engenheiros que realizarão as análises sobre esses dados mas de antemão da qualidade com o que esses fatores foram produzidos já que o retorno dos seus investimentos são diretamente afetados por planos de ação tomados com base em informação de boa ou má qualidade Caro engenheiro com essas informações você será capaz de elaborar mais essa etapa do relatório solicitado pelo seu gestor e assim concluir mais essa tarefa Bom trabalho U4 Distribuição de energia elétrica 202 Avançando na prática Fatores típicos de carregamento Descrição da situaçãoproblema Considere que você é um engenheiro prestador de serviço responsável por propor novas medidas de eficiência energética para quatro consumidores conectados a um mesmo transformador de 25 kVA conforme Tabela 47 Fonte Adaptada de Kersting 2002 p 33 Tabela 47 Consumo de energia de quatro consumidores individuais durante 1h do dia Hora Cliente 1 Cliente 2 Cliente 3 Cliente 4 kW kW kW kW 1700h 881 496 1104 144 1715h 212 316 704 162 1730h 948 708 768 246 1745h 716 508 608 084 1800h 604 312 432 112 Para esse transformador determine a Demanda máxima diversificada b Demanda máxima nãocoincidente c Fator de utilização assumindo fator de potência unitário d fator de diversidade e diversidade de carga Caro engenheiro espero que você esteja animado Resolução da situaçãoproblema Para propor medidas que aumentem a eficiência energética dos quatro consumidores em análise a Demanda máxima diversificada D D h D h div div i i n max 17 30 17 30 9 48 7 08 7 68 2 46 2 1 6 7 kW Analogamente os resultados das demais demandas diversificadas são D h kW D h kW D h div div div 17 00 26 25 17 15 13 94 17 45 19 16 kW D h kW div 18 00 14 6 U4 Distribuição de energia elétrica 203 b Demanda máxima nãocoincidente D D kW ncoinc i i n max max 1 9 48 7 08 11 04 2 46 30 06 c Fator de utilização fp 1 f D C D kW f p C kVA util sist div sist max max 26 7 1 25 1 068 1066 8 d Fator de diversidade f D D D D div ncoinc div i i n div max max max max 1 30 06 26 7 11258 e Diversidade de carga Diversidade de c a D D kW ncoinc div arg max max 30 06 26 7 3 36 Dessa maneira com os correspondentes fatores típicos de carregamento você seria capaz de realizar análises e propor melhorias no que se refere à eficiência energética Faça valer a pena 1 Os fatores típicos de carregamento utilizados em redes de distribuição de energia consistem basicamente de um conjunto de informações que de alguma forma representam o comportamento do sistema em relação aos padrões de consumo de energia kWh e de demanda kW Tais informações portanto são o alicerce para uma concessionária de energia ser capaz de avaliar o seu desempenho operacional e planejar novos investimentos A respeito dos fatores típicos de carregamento assinale a alternativa correta a A demanda máxima nãocoincidente será sempre um valor menor ou igual à demanda máxima diversificada b O fator de utilização é um valor sempre maior que um c O fator de demanda é um valor sempre menor que um d A demanda máxima do sistema pode ser compreendida como a demanda máxima diversificada e O fator de diversidade é um valor sempre menor ou igual a um 2 O fator de diversidade de um conjunto de cargas é a relação entre a soma das demandas máximas das cargas e a demanda máxima do conjunto KAGAN 2005 Esse fator é adimensional e é sempre menor ou igual a um sendo unitário somente quando todas as cargas do sistema estiverem ligadas na potência nominal simultaneamente U4 Distribuição de energia elétrica 204 Fonte Kersting 2002 p 23 Fonte Kersting 2002 p 23 Tabela 48 Transformador T1 Tabela 49 Transformador T2 Cliente 1 2 3 4 5 kWh 1523 1645 1984 1590 1456 kW 124 134 161 129 119 Cliente 6 7 8 9 10 11 kWh 1235 1587 1698 1745 2015 1765 kW 101 129 138 142 163 143 Verificouse que os fatores de diversidade são 220 no transformador T1 230 no transformador T2 e fator de potência 09 para ambos os transformadores Além disso para T1 Máx emanda ão coincidente kW d n 66 7 Máx emanda diversificada kW d 30 3 Máx emanda kVA d T1 33 6 T2 Máx emanda ão coincidente kW d n 81 6 Máx emanda diversificada kW d 35 5 Máx emanda kVA d T2 39 4 Assumese também que os valores de fator de diversidade DF seguem os valores tabelados conforme o número de cargas n conectados a um nó vide Tabela 410 3 Considere que um estudo de alocação de carga foi realizado no sistema da Figura 49 e que as seguintes informações para os transformadores T1 e T2 foram obtidas conforme Tabelas 48 e 49 Com base no fator de diversidade uma de suas atribuições é permitir que a seja possível encontrar a demanda máxima diversificada b seja possível determinar o fator de perdas c seja possível calcular o fator de utilização d seja possível encontrar a demanda diversificada a cada intervalo de tempo e seja possível identificar o fator de demanda U4 Distribuição de energia elétrica 205 Com base nos dados acima determine a demanda máxima não coincidente e a demanda máxima diversificada para cada segmento de linha N1N2 e N2N3 analise as afirmativas a seguir e assinale a correta a A demanda máxima nãocoincidente no segmento N1N2 é menor que o dobro da demanda máxima nãocoincidente no segmento N2N3 A demanda máxima diversificada no segmento N1N2 é menor que o dobro da demanda máxima diversificada no segmento N2N3 b A demanda máxima nãocoincidente no segmento N1N2 é menor que o dobro da demanda máxima nãocoincidente no segmento N2N3 A demanda máxima diversificada no segmento N1N2 é maior que o dobro da demanda máxima diversificada no segmento N2N3 c A demanda máxima nãocoincidente no segmento N1N2 é maior que o dobro da demanda máxima nãocoincidente no segmento N2N3 A demanda máxima diversificada no segmento N1N2 é menor que o dobro da demanda máxima diversificada no segmento N2N3 d A demanda máxima nãocoincidente no segmento N1N2 é maior que o dobro da demanda máxima nãocoincidente no segmento N2N3 A demanda máxima diversificada no segmento N1N2 é maior que o dobro da demanda máxima diversificada no segmento N2N3 e A demanda máxima nãocoincidente no segmento N1N2 é igual o dobro da demanda máxima nãocoincidente no segmento N2N3 A demanda máxima diversificada no segmento N1N2 é igual o dobro da demanda máxima diversificada no segmento N2N3 Fonte adaptada de Kersting 2002 p 18 Tabela 410 Fatores de diversidade FD n FD n FD n FD n FD n FD n FD n FD 1 100 11 267 21 290 31 305 41 313 51 315 61 318 2 160 12 270 22 292 32 306 42 313 52 315 62 318 3 180 13 274 23 294 33 308 43 314 53 316 63 318 4 210 14 278 24 296 34 309 44 314 54 316 64 319 5 220 15 280 25 298 35 310 45 314 55 316 65 319 6 230 16 282 26 300 36 310 46 314 56 317 66 319 7 240 17 284 27 301 37 311 47 315 57 317 67 319 8 255 18 286 28 302 38 312 48 315 58 317 68 319 9 260 19 288 29 304 39 312 49 315 59 318 69 320 10 265 20 290 30 305 40 313 50 315 60 318 70 320 U4 Distribuição de energia elétrica 206 Seção 43 Métodos de modelagem e análise Diálogo aberto Caro aluno nesta seção fecharemos o estudo da disciplina de Geração Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica Apresentaremos diversos aspectos relacionados à modelagem matemática de redes de distribuição de energia e para um melhor aproveitamento da disciplina é importante que você tenha consolidado bem os fundamentos da modelagem de redes de transmissão de energia Definições tais como de cargas distribuídas e concentradas os modelos de linhas pi e T etc são conceitos que têm grande valor para esta seção No contexto das redes de distribuição sabese que um alimentador fornece energia elétrica tanto para cargas trifásicas como para monofásicas Essa combinação leva a correntes e tensões de linha em desequilíbrio Para analisar essas condições com a maior precisão possível seria necessário modelar as três fases de alimentadores de rede nos mínimos detalhes Na prática sabese que muitas vezes uma análise aproximada seria o suficiente Quando esse é o caso métodos aproximados de modelagem e análise podem ser empregados O início desta seção portanto apresenta alguns dos métodos e análises aproximados Em seguida modelos de cargas são apresentados para por fim concluirmos nosso estudo apresentando uma das formas de análise exata mais básicas e fundamentais em sistemas elétricos de potência Esta última trata da resolução de um problema de fluxo de potência também chamado de problema de fluxo de carga por meio de um método matemático chamado de método da vVarredura que é muito utilizado e recomendado para redes radiais de distribuição de energia elétrica Sendo assim retomando o cenário em que trabalha em uma concessionária de energia do seu estado e responsável tanto pelo planejamento como pela operação das redes de distribuição de energia da companhia você como um engenheiro de alto nível está ciente que na operação de sistemas de potência os métodos de modelagem e análise são importantíssimos para garantir a segurança U4 Distribuição de energia elétrica 207 a conformidade e a continuidade no serviço do fornecimento da energia elétrica aos consumidores finais Assim conclua o relatório solicitado pelo seu gestor respondendo às seguintes questões Qual a importância de se utilizar métodos aproximados em conjunto com os métodos exatos varredura na realidade das redes de distribuição no Brasil e no mundo Como engenheiro de uma concessionária de energia de que forma você e sua empresa podem se beneficiar desses estudos em suas atividades cotidianas Caro aluno espero que você esteja animado para concluir o seu estudo com chave de ouro e que este tenha sido apenas o início de uma nova jornada profissional na qual você futuramente possa aplicar os seus conhecimentos e ser reconhecido no meio em que você estiver inserido Boa sorte Estudar modelagens e análises de redes de distribuição é fundamentalmente realizar estudos que auxiliam no planejamento e na operação de redes de distribuição Em outras palavras é determinar valores de correntes tensões e potências ao longo dos sistemas elétricos a fim de que se possa avaliar as condições de qualidade da prestação do serviço de fornecimento da energia elétrica e identificar eventuais oportunidades ou necessidades de investimento Nesta seção portanto apresentaremos alguns métodos aproximados e um método exato de determinação da queda de tensão e da perda de energia ao longo dos sistemas de distribuição de energia Métodos aproximados de modelagem e análise de redes de distribuição Muitas vezes podemos supor que as cargas estejam uniformemente distribuídas ao longo de um alimentador trifásico bifásico ou monofásico nos quais transformadores estão espaçados uniformemente ao longo do comprimento Quando as cargas são uniformemente distribuídas não é necessário modelar cada carga para determinar a queda de tensão total da fonte para a última carga Não pode faltar U4 Distribuição de energia elétrica 208 A Figura 410 ilustra um alimentador com cargas uniformemente distribuídas sendo dx um infinitesimal de comprimento e di um infinitesimal de corrente drenada pela carga Fonte adaptada de Kersting 2002 p 48 Fonte adaptada de Kersting 2002 p 54 Figura 410 Cargas uniformemente distribuídas ao longo de um alimentador Figura 411 Modelo de parâmetros concentrados que substitui alimentador com parâmetros distribuídos Para calcularmos a queda de tensão ao longo desse alimentador e a perda de potência ao longo da linha existe todo um desenvolvimento matemático que será suprimido de modo que por fim temos a seguinte expressão V Z I queda T Re 1 2 P R I perda monofásico T 1 3 2 ou P R I perda trifásico T 3 1 3 2 sendo Vqueda o valor da queda de tensão no final do alimentador Z a impedância da linha IT a corrente na subestação S Pperda monofásico a perda em kW ao longo de um condutor monofásico Pperda trifásico a perda em kW ao longo da linha trifásico e R a resistência do condutor em Ohms Caso desejemos criar um modelo com parâmetros concentrados de maneira equivalente realizase também outro desenvolvimento matemático para concluir que a única forma possível é a mostrada na Figura 411 a seguir U4 Distribuição de energia elétrica 209 Fonte Kersting 2002 a p 55 b p 60 Figura 412 Densidade de carga constante em uma área a retangular e b triangular Além de alimentadores com parâmetros uniformemente distribuídos outras vezes as áreas de alimentação podem ser representadas por configurações geométricas ex retângulos e triângulos A Figura 412a ilustra uma área retangular e a Figura 412b uma área triangular com densidade de carga constante kVA km2 servida por um alimentador trifásico do nó n ao nó m Ao assumir uma densidade de carga constante nas configurações cálculos aproximados de queda de tensão e de perdas de energia total são dados por Área retangular V Z I queda T Re 1 2 P R I perda trifásico T 3 1 3 2 Área triangular V Z I queda T Re 2 3 P R I perda trifásico T 3 8 15 2 U4 Distribuição de energia elétrica 210 Assimile Os cálculos aproximados podem auxiliar na determinação da carga máxima que pode ser servida em uma área especificada em um determinado nível de tensão e tamanho do condutor Modelos de cargas em redes de distribuição Em geral as cargas em redes de distribuição de energia elétrica são representadas em função da tensão de fornecimento pela seguinte expressão KAGAN 2005 P f V 1 e Q f V 2 em que P e Q são as potências ativa e reativa absorvidas pela carga respectivamente V é o módulo da tensão aplicada à carga f V 1 e f V 2 são funções que relacionam as potências ativa e reativa ao módulo da tensão aplicada nos terminais da carga respectivamente A forma construtiva e o princípio físico de funcionamento de cada equipamento elétrico definem o seu comportamento em regime permanente senoidal mediante a variação de tensão KAGAN 2005 Nesse cenário portanto destacamse os modelos mais usuais para a representação de cargas que são modelo impedância constante Z modelo corrente constante I modelo potência constante S Como o próprio nome diz para cada um dos três modelos apresentados as cargas possuem impedância corrente e potência constantes respectivamente para qualquer valor de tensão de fornecimento Sendo assim para facilitar a compreensão dos assuntos abordados mais adiante vamos associar somente a parte real da Lei de Ohm V R I com a definição de potência elétrica P V I Assim podemos definir como a potência de cada modelo varia de acordo com os níveis de tensão No modelo impedância constante por exemplo para encontrar a relação da variação de potência mediante uma variação de tensão devemos primeiramente rearranjar a Lei de Ohm para I V R e substituindo na equação de potência elétrica temos que P V R 2 No caso do modelo corrente constante a relação é diretamente proporcional conforme a equação de potência elétrica U4 Distribuição de energia elétrica 211 P V I Por fim no caso do modelo potência constante a potência é independente da tensão Em última análise definimos cada modelo da seguinte forma a Modelo impedância constante Z O modelo impedância constante representa as cargas cujas potências variam diretamente proporcionais ao quadrado dos níveis de tensão como segue P P V V 0 0 2 e Q Q V V 0 0 2 sendo P Q e V potências ativa reativa e magnitude de tensão em um determinado instante de tempo respectivamente e P0 Q0 e V0 potências ativa reativa e magnitude de tensão de referência ex valores nominais tipicamente obtidos nos dados de placa fornecidos pelos fabricantes de equipamentos elétricos b Modelo corrente constante I O modelo corrente constante representa as cargas cujas potências variam diretamente proporcionais aos níveis de tensão como segue P P V V 0 0 1 e Q Q V V 0 0 1 c Modelo potência constante P O modelo potência constante representa as cargas cujas potências variam independentemente dos níveis de tensão como segue P P V V P P 0 0 0 0 e Q Q V V Q Q 0 0 0 0 Exemplificando São exemplos de cargas de natureza de KAGAN 2005 a Modelo impedância constante Z os capacitores e os equipamentos de aquecimento resistivos como chuveiros e torneiras elétricas b Modelo corrente constante I os fornos a arco e as lâmpadas de descarga de vapor de mercúrio de vapor de sódio e fluorescentes e c Modelo potência constante P os motores elétricos de indução d Modelo polinomial ZIP O modelo ZIP representa as cargas cujas potências variam com a tensão de acordo com uma relação linear que incorpora uma parcela de impedância constante representada por α uma parcela de U4 Distribuição de energia elétrica 212 corrente constante representada por β e uma parcela de potência constante representada por γ Logo P P V V V V 0 0 2 0 1 α β γ e Q Q V V V V 0 0 2 0 1 α β γ sendo α β γ α β γ 1 1 e Modelo exponencial O modelo exponencial trata de uma simplificação do modelo ZIP sendo expresso da seguinte forma P P V V np 0 0 e Q Q V V nq 0 0 Os parâmetros np e nq assumem valores não negativos de modo que tipicamente para PUCRIO 2017 cargas residenciais temse que np 0 72 1 3 e nq 2 96 4 38 cargas comerciais temse que np 0 99 1 51 e nq 3 15 3 95 cargas industriais temse que np 0 18 e nq 6 Reflita Qual a interpretação de um valor alto ou baixo de np e de nq Você consegue identificar alguma razão para valores menores de np e maiores de nq nas cargas industriais em comparação com as residenciais e as comerciais Assimile A potência elétrica no modelo impedância constante varia com o quadrado da tensão de fornecimento P V 2 A potência elétrica no modelo corrente constante varia linearmente com a tensão de fornecimento P V 1 A potência elétrica no modelo potência constante não varia com a tensão de fornecimento P V 0 A potência elétrica no Modelo ZIP e no Modelo exponencial varia em uma relação não linear U4 Distribuição de energia elétrica 213 O método da varredura BackwardForward sweep method Antes de iniciarmos o estudo do método da varredura devemos compreender o que é o fluxo de potência O fluxo de potência constituise de um procedimento realizado em sistemas elétricos transmissão e distribuição de energia para determinar as tensões ao longo dos alimentadores assumindo conhecidas as tensões trifásicas na subestação e a potência complexa de todas as cargas e do modelo de carga potência complexa constante impedância constante corrente constante ou combinação Os estudos de fluxo de potência são de fundamental importância para o planejamento e para a operação dos sistemas elétricos existentes Uma análise de fluxo de potência de um alimentador pode determinar tanto valor por fase como valores trifásico totais de magnitudes e ângulos de tensão em todos os nós do alimentador fluxo de linha em cada seção especificada em kW e kVAr perda de energia em cada seção de linha perdas de potência total do alimentador valor em kW e kVAr com base no modelo especificado para a carga etc KERSTING 2002 Pesquise mais Os métodos matemáticos mais usuais para resolver problemas de fluxo de potência em redes de transmissão de energia elétrica que compõem redes majoritariamente malhadas ou fracamente malhadas são o método de NewtonRaphson o método desacoplado e o método desacoplado rápido Em redes de distribuição que são tipicamente radiais é comum resolver problemas de fluxo de potência pelo método da varredura Ambos os casos se tratam de métodos iterativos Para mais informações consulte o Capítulo 5 Fluxo de Carga nãolinear algoritmos básicos de Monticelli 1983 MONTICELLI A J Fluxo de Carga não linear algoritmos básicos In Fluxo de carga em redes de energia elétrica São Paulo Edgard Blücher 1983 p 75109 U4 Distribuição de energia elétrica 214 Fonte Kersting 2002 p 271 Figura 413 Método da varredura Para o sistema elétrico da Figura 413 suponha que todas as impedâncias de linha Z Z Z Z 12 23 34 45 e potências de carga S S S S S 1 2 3 4 5 sejam conhecidas juntamente com a tensão na fonte VS O método da varredura portanto é um método de solução do problema de fluxo de potência que por meio de um método iterativo de varredura para trás backward e para frente forward consegue determinar todas as tensões e correntes ao longo de qualquer sistema elétrico Assim tomando a rede da Figura 413 a solução para essa rede é inicialmente assumir uma tensão na carga mais remota V5 e calcular a corrente de carga I5 pela equação I S V 5 5 5 É usual assumirmos nessa etapa inicial do processo iterativo o valor V5 igual ao valor de VS Para esse caso de nó final a corrente de linha I45 é igual à corrente de carga I5 Aplicando a Lei das Tensões de Kirchhoff a tensão no nó 4 V4 pode ser determinada como V V Z I 4 5 45 45 A corrente de carga I4 pode ser determinada e em seguida aplicando a Lei das Correntes de Kirchhoff para determinar a corrente de linha I34 temse que I I I 34 45 4 A Lei das Tensões de Kirchhoff é aplicada novamente todavia para determinar a tensão V3 Esse procedimento é continuado até que uma tensão tenha sido calculada na fonte V1 Nesse cenário considere o seguinte sistema da Figura 413 a seguir U4 Distribuição de energia elétrica 215 A tensão calculada V1 é então comparada com a tensão VS especificada de modo que é esperado que haja uma diferença entre essas duas tensões Assim finalizase o que é conhecido como etapa backward para trás da varredura pois os cálculos de correntes e tensões ocorrem no sentido da carga para a geração A partir desse momento os cálculos serão feitos no sentido da geração para a carga iniciando a etapa forward para frente da varredura A varredura forward inicia por meio da Lei de Tensões de Kirchhoff calculando e atualizando a tensão no nó 2 V2 por um novo valor dado por V V Z I S 2 12 12 Esse procedimento é repetido para cada segmento de linha até que uma nova tensão seja determinada no nó 5 V5 Usando a nova tensão no nó 5 uma segunda varredura para trás que levará a uma nova tensão calculada na fonte é iniciada O processo de varredura para frente e para trás é continuado até que a diferença entre a tensão calculada e especificada na fonte esteja dentro de uma determinada tolerância dada por Erro V V S 1 ξ Tipicamente utilizase o valor de tolerância ξ de 10 3 se as tensões calculadas V1 e especificadas VS estão normalizadas em por unidade pu Exemplifi cando Suponha uma rede de distribuição como mostra a Figura 414 KERSTING 2002 Fonte adaptada de Kersting 2002 p 272 Figura 414 Sistema de distribuição de 3 barras nós U4 Distribuição de energia elétrica 216 em que Z j 12 0 1705 0 3409 Ω e Z j 23 0 2273 0 4545 Ω S j kVA 2 1500 750 e S j kVA 3 900 500 tensão na subestação V j V S 7200 0 Calcule as tensões nodais após uma iteração backward e uma iteração forward Solução O processo inicia assumindo um valor de tensão para V3 que é nó terminal Assumiremos V j V V 3 7200 0 7200 0 igual ao valor de VS A corrente de carga no nó 3 será de I S V j j 3 3 3 900 500 1000 7200 0 900 500 1000 7200 143 29 A A corrente na seção 23 é I I A 23 3 143 29 Em seguida a tensão no nó 2 será de V V Z I j 2 3 23 23 7200 0 0 2273 0 4545 143 29 7260 1 0 3 2 V A corrente de carga no nó 2 será de I S V j 2 2 2 1500 750 1000 7260 1 0 32 231 26 3 A A corrente na seção 12 é I I I A 12 2 23 231 26 3 143 29 373 9 27 3 A tensão no nó 1 será de V V Z I j 1 2 12 12 7260 1 0 32 0 1705 0 3409 373 9 27 3 7 376 2 0 97 V Calculando o erro entre tensão calculada e especificada no nó 1 temos que Erro V 7200 7376 2 176 2 Isso corresponde a um erro de 245 que é superior ao erro tolerado de 01 equivalente a 72 V Logo o problema continua na etapa forward Faça V V j V S 1 7200 0 Atualize o valor da tensão no nó 2 que será de V V Z I j 2 1 12 12 7200 0 0 1705 0 3409 373 9 27 3 7085 4 0 68 V Atualize o valor da tensão no nó 3 que será de V V Z I j 3 2 23 23 7085 4 0 68 0 2273 0 4545 143 29 7026 1 02 V Isso completa a primeira iteração do método da varredura A partir desse ponto o procedimento inicia novamente a etapa backward dessa vez com o novo valor de tensão no nó 3 ao invés do valor assumido inicialmente U4 Distribuição de energia elétrica 217 Sem medo de errar Retomando o cenário em que você é um engenheiro de redes de distribuição e que você deve concluir o relatório que será apresentado ao seu gestor pediuse que você incluísse uma última seção referente aos modelos matemáticos das redes de distribuição apontando de que forma você avalia a importância de se utilizar métodos aproximados em conjunto com os métodos exatos varredura na realidade das redes de distribuição no Brasil e no mundo Além disso como você e a sua empresa podem se beneficiar desses estudos nas atividades cotidianas É importante afirmar que os modelos geralmente são criados como as versões reduzidas do que realmente existe ou é provável que exista na vida real Os modelos permitem visualizar as situações da vida real estudálas e em alguns casos sujeitálos à análise dos efeitos das mudanças reais que podem ocorrer de tempos em tempos No contexto das redes de distribuição de energia é sabido que essas redes muitas vezes carecem de medição ao longo dos alimentadores como foi discutido na seção anterior desta unidade no tópico de alocação de cargas Nesse cenário em que há muitas incertezas e pouco se conhece a respeito do estado de operação do sistema elétrico magnitudes e ângulos da tensão em qualquer nó do sistema temos que as modelagens e análises aproximadas ganham destaque pois elas podem auxiliar em análises práticas de como por exemplo determinar a carga máxima que pode ser alimentada em um determinado nível de tensão por um determinado alimentador Métodos aproximados permitem que tanto a equipe de engenheiros de planejamento do sistema elétrico como a equipe de engenheiros de operação possam tomar decisões com um bom nível de confiabilidade a fim de atender o compromisso de custos de infraestrutura e operação x qualidade do serviço prestado Vamos supor por exemplo que a empresa precise expandir a malha elétrica para um novo bairro no formato de uma área retangular por exemplo Considerando que se tem pouca informação a respeito das cargas e do comportamento de consumo dos consumidores que habitarão esse novo bairro você apenas com a estimativa de corrente IT que será consumida por esse bairro e a impedância do alimentador que fornecerá energia a ele Z seria capaz de estimar U4 Distribuição de energia elétrica 218 com um certo grau de confiabilidade se a rede projetada atenderá ou não as necessidades dos novos moradores As análises exatas todavia são muito empregadas em sistemas de transmissão de energia elétrica mas ainda pouco empregadas à distribuição e as razões são variadas tais como Muitas vezes as concessionárias de energia não catalogam cada condutor utilizado em cada alimentador para se conhecer as impedâncias das linhas É muito comum que a concessionária também não conheça com precisão os valores das potências demandadas ao longo do dia em cada nó do sistema estimando apenas os valores máximos e a energia absorvida ao longo do tempo Os modelos das cargas nas redes de distribuição em um contexto prático tipicamente seguem um comportamento de modelo ZIP que é de difícil definição entre outros motivos Em contextos práticos a motivação de se empregar análises exatas é principalmente realizar estudos de planejamento da expansão e planejamento da operação com maiores níveis de exatidão Em outras palavras tais análises se bem fundamentadas podem agregar maior economia para a concessionária de energia sem causar prejuízo à qualidade do serviço e do produto prestados Além disso no contexto de Smart Grids conforme mencionado na seção anterior desta unidade as análises exatas ganham destaque porque promoverão grandes economias a médio e longo prazo para as próprias concessionárias para os clientes governos e outras partes interessadas Por fim concluise que modelagens e análises aproximadas são de extrema relevância no contexto das redes de distribuição sendo um dos benefícios agregados à atividade cotidiana do engenheiro e da empresa a redução do número de horas de trabalho necessárias para a tomada de uma decisão E as modelagens e análises exatas por sua vez são importantíssimas na medida em que elas funcionam como referência para uma avaliação precisa a respeito do estado de operação de um sistema elétrico Caro engenheiro incluindo essas informações você seria capaz de concluir o relatório solicitado pelo seu gestor e assim finalizar a sua tarefa Bom trabalho U4 Distribuição de energia elétrica 219 Avançando na prática Determinação da tensão de fornecimento Descrição da situaçãoproblema Suponha que você é um engenheiro de planejamento da expansão de uma concessionária de energia Sua empresa será responsável por construir um alimentador para uma área retangular de comprimento de 3 km e uma largura de 18 km A densidade de carga da área é de 1600 kVA km2 com um fator de potência unitário O alimentador principal primário tem impedância total de Z j 0 6 1 2 Ω Com base nos dados de projeto estimados suponha que a regulamentação local exige que o nível de tensão nominal padrão mínimo para atender a essa área não possa exceder uma queda de tensão de 3 Além disso sabese que as opções de tensões nominais possíveis pela concessionária são de 416 kV e 138 kV Sendo assim como você engenheiro determinaria o nível de tensão nominal adequado para atender a essa nova área a fim de não desrespeitar a regulamentação local Quais seriam as perdas totais de energia nesse caso Resolução da situaçãoproblema Com base nos dados de projeto temos que a área do empreendimento é de A km 3 1 8 5 4 2 e a potência total demandada de S kVA 1600 5 4 8640 Para as tensões nominais de 416 kV e 138 kV respectivamente temos as correntes IT I S V A T kV linha 4 16 3 8640 3 4 16 1199 11 e I S V A T kV linha 13 8 3 8640 3 13 8 361 47 A queda de tensão em cada caso portanto seria de V j V queda kV 4 16 1 2 0 6 1 2 1199 11 359 73 Re e V j V queda kV 13 8 1 2 0 6 1 2 361 47 108 44 Re U4 Distribuição de energia elétrica 220 A tensão faseneutro em cada caso é de V V fase kV 4 16 4160 3 24018 e V V fase kV 13 8 13800 3 7967 4 A porcentagem de queda de tensão em cada caso portanto seria de Vqueda kV 4 16 359 73 24018 0 1498 14 98 e Vqueda kV 13 8 108 44 7967 4 0 0136 1 36 Logo vemos que a tensão de 416 kV com certeza não atenderia ao critério de queda de tensão inferior a 3 enquanto o valor de 138 kV atenderia As perdas para cada caso seriam de P R I perda trifásico kV T 4 16 2 2 3 1 3 0 6 1199 11 86272kW P R I perda trifásico kV T 13 8 2 2 3 1 3 0 6 361 47 78 4kW Observe a enorme discrepância entre os valores de perdas para cada caso Assim você concluiria a sua tarefa e apontaria a tensão de 138 kV para abastecer esses clientes Faça valer a pena 1 Estudar modelagens e análises de redes de distribuição é fundamentalmente realizar estudos que auxiliam no planejamento e na operação de redes de distribuição Em outras palavras é determinar valores de correntes tensões e potências ao longo dos sistemas elétricos a fim de que se possa avaliar as condições de qualidade da prestação do serviço do fornecimento da energia elétrica e identificar eventuais oportunidades ou necessidades de investimento A respeito dos métodos aproximados de modelagem e análise de redes de distribuição analise as afirmativas a seguir I A queda de tensão em um alimentador com cargas uniformemente distribuídas independe da reatância X do condutor II As perdas em um alimentador com cargas uniformemente distribuídas podem ser obtidas conhecendo apenas a corrente que parte da subestação e a resistência do condutor III O modelo com parâmetros concentrados equivalente a um alimentador com cargas uniformemente distribuídas pode ser descrito por um alimentador onde a 14 do comprimento do alimentador 23 da corrente total é drenada e no final do alimentador o restante dos 13 da corrente total é drenada U4 Distribuição de energia elétrica 221 2 Para planejar e operar sistemas elétricos de potência de modo seguro e econômico é crucial que sejam definidos modelos adequados para cada elemento do sistema A modelagem dos componentes possibilita operálo com menores incertezas melhor representação de restrições e maior aproveitamento de seus recursos Nesse cenário no que se refere à modelagem de cargas elétricas a tabela a seguir apresenta os modelos de cargas elétricas e as respectivas relações de dependência da potência em relação aos níveis de tensão 3 Suponha que um bairro predominantemente comercial de área triangular largura 2 km e comprimento 5 km deve ser alimentado em tensão nominal de 1247 kV e possui densidade de carga de 2200 kVA km2 com fator de potência 09 atrasado Além disso suponha que você conhece os condutores utilizados e que a impedância total do alimentador primário seja de Z j 0 8 1 4 Ω Com base nos dados acima temse que a porcentagem de queda de tensão do início do alimentador subestação até o ponto final terminal em que está conectada a carga mais distante da subestação está no intervalo de a 00 a 0499 b 05 a 0999 Com base na associação das colunas acima assinale a alternativa que corretamente classifica os modelos de carga I II e III com as respectivas relações da variação de potência com a variação de tensão 1 2 e 3 a 1 I 2 II 3 III b 1 I 2 III 3 II c 1 II 2 III 3 II Leia as afirmativas a respeito de modelagens com parâmetros distribuídos analiseas e assinale a alternativa correta a Somente a afirmativa I está correta b Somente a afirmativa II está correta c Somente a afirmativa III está correta d Somente as afirmativas II e III estão corretas e As afirmativas I II e III estão corretas Fonte Elaborada pelo autor Tabela 411 Modelos de carga e potência Potência Modelos de carga 1 Não varia com a tensão I Z constante 2 Varia linearmente com a tensão II I constante 3 Varia com o quadrado da tensão III P constante d 1 II 2 I 3 III e 1 III 2 II 3 I c 10 a 1499 d 15 a 1999 e acima de 20 U4 Distribuição de energia elétrica 222 Referências CAGNON J A VALARELLI I D RODRIGUES R M Gestão energética em indústrias madeireiras In ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO RURAL 6 2006 Campinas Anais eletrônicos Disponível em httpwwwproceedingsscielobrscielophp scriptsci arttextpidMSC0000000022006000200002lngptnrmabn Acesso em 23 Nov 2017 CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais Redes Inteligentes Smart Grids O que são redes inteligentes de energia Disponível em httpwwwcemigcombr ptbrACemigeoFuturosustentabilidadenossosprogramasRedesInteligentes Paginasasredesinteligentesaspx Acesso em 13 set 2017 KAGAN N DE OLIVEIRA C C B ROBBA E J Introdução aos Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica São Paulo Blucher 2005 KERSTING W H N Distribution System Modeling and Analysis Boca Raton CRC Press 2002 TOSTES M E L Distribuição de Energia Elétrica Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação Notas de aula do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Pará 2007 Capítulo 3 Estudo das Cargas nos Sistemas de Distribuição Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação Notas de aula do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Pará 2007a MONTICELLI A J Fluxo de Carga em Redes de Energia Elétrica São Paulo Editora Edgard Blütcher Ltda 1983 PUCRIO Modelos de Carga PUCRIO Certificação Digital nº 0812713CA Disponível em httpswwwmaxwellvracpucriobr16417164173PDF Acesso em 13 set 2017 Anotações Anotações KLS GERAÇÃO TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Geração transmissão e distribuição de energia elétrica