apostila de instalações elétricas parte1

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO Atualização 21/09/10 SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLÓGIA DE SANTA CATARINA COMPUS JOINVILLE CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA

1

Projeto de Instalações Elétricas Residenciais e Prediais

2010

Prof. Edson Watanabe, [email protected], www.joinville.ifsc.edu.br/~edsonh


2

APRESENTAÇÃO Esta apostila foi compilada para a unidade curricular de Projetos de Instalações Residenciais e Prediais, onde são bordados assuntos que são ministrados em sala de aula referentes à: Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica, Luminoténica e Projetos de Instalações Elétricas. A preparação deste material tem por objetivo contribuir na formação de estudantes de cursos Técnicos e Superiores na área Elétrica, buscando abranger de forma resumida conceitos e práticas encontradas nas diversas literárias especializadas.


3

Conteúdo 1. A Energia Elétrica 1.1 Introdução 1.2 História dos Sistemas Elétricos de Potência 1.3 Conceitos Básicos 1.3.1 Resumo 1.3.2 Formulário 1.3.3 Exercício 1.4 Geração, Transmissão, Distribuição 1.4.1 Geração de Energia Elétrica: 1.4.1.1 Operação 1.4.1.2 Usinas Hidroelétricas 1.4.1.3 Usinas termoelétricas 1.4.1.4 Usinas Eólicas 1.4.2 Transmissão 1.4.2.1 Subestação Elevadora – Subestação de transmissão 1.4.2.2 Linhas de Transmissão 1.4.3 Distribuição 1.4.3.1 Subestação Abaixadora ou Subestação de distribuição 1.4.3.2 Redes de distribuição 1.4.3.3 Terminais 1.4.3.4 Na Residência 1.4.3.5 Exercícios 1.5.1 Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro 1.5.2 Estrutura de um Sistema Elétrico de Potência 1.5.3 Geração de Energia Elétrica 1.5.4 Rede de Transmissão 1.5.5 Rede de Sub-Transmissão 1.5.6 Redes de Distribuição 1.6 Características do Sistema Elétrico Brasileiro 1.6.1 Geração de Energia Elétrica no Brasil 1.6.2 Sistema Interligado Nacional - SIN 1.6.3 Transmissão de Energia Elétrica no Brasil 1.6.4 Sistemas de Distribuição no Brasil 1.7 Características dos Sistemas Elétricos de Potência 1.8 Tendências para o Mercado de Energia Elétrica


4

Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica


5

1. A Energia Elétrica 1.1 Introdução Na história da sociedade, a energia elétrica, desde a sua descoberta, sempre ocupou lugar de destaque, tendo em vista a dependência da qualidade de vida e do progresso econômico da qualidade do produto e dos serviços relacionados à energia elétrica, que por sua vez dependem de como as empresas de eletricidade projetam, operam e mantêm os sistemas elétricos de potência.

Figura 1.1 Importância da eletricidade para a sociedade.

A energia elétrica proporciona à sociedade trabalho, produtividade e desenvolvimento, e aos seus cidadãos conforto, comodidade, bem-estar e praticidade, o que torna a sociedade moderna cada vez mais dependente de seu fornecimento e mais suscetível às falhas do sistema elétrico. Em contrapartida esta dependência dos usuários vem se traduzindo em exigências por melhor qualidade de serviço e do produto. A energia elétrica é uma das mais nobres formas de energia secundária. A sua facilidade de geração, transporte, distribuição e utilização, com as conseqüentes transformações em outras formas de energia, atribuem à eletricidade uma característica de universalização, disseminando o seu uso pela humanidade. No mundo de hoje, eletricidade, como alimento e moradia, é um direito humano básico. Eletricidade é a dominante forma de energia moderna para telecomunicações, tecnologia da informação, e produção de bens e serviços. Os crescimentos da população mundial e da economia nos países em desenvolvimento implicam, necessariamente, no aumento do consumo de energia, porém a produção de energia deve seguir os conceitos de desenvolvimento sustentável e de responsabilidade ambiental. O gráfico da Figura 1.2 apresenta o crescimento da geração mundial de eletricidade por combustível, sendo estimado para os próximos 20 anos um crescimento superior a 50% na produção mundial de eletricidade. A eletricidade é a forma de energia de uso final que mais cresce no período analisado (2006-2030).


6

Figura 1.2 Geração mundial de energia elétrica.

Fonte: International Energy Outlook 2009

Segundo resultados preliminares do Balanço Energético Nacional – BEN1

2009, ano base 2008, o consumo final energético por fonte está mostrado na Figura 1.3 onde se observa que a eletricidade representa 17,4% do consumo final ficando atrás apenas do óleo diesel – 17,7%, sendo, portanto a segunda forma de energia mais consumida no país.

¹ Inclui apenas gasolina A (automotiva) 2 Outras Fontes Inclui lixívia, óleo combustível, gás de refinaria, coque de carvão mineral e carvão vegetal, dentre outros

Fig.1.3: Consumo final energético por fonte no Brasil em 2009. Fonte: Balanço Energético Nacional – BEN 2009 – Resultados Preliminares.

No Brasil, dentre as fontes primárias e secundárias de energia a fonte hidráulica é a que mais contribui para produção de energia elétrica (73,1%) estando os locais produtores em regiões quase sempre distantes dos centros consumidores Figura 1.4. Com isso são necessárias grandes extensões de linhas de transmissão e instalações para repartir e distribuir a energia nos centros de consumo.

1 - O BEN apresenta a contabilidade relativa à oferta e ao consumo de todas as formas energia no Brasil, contemplando as atividades de extração de recursos energéticos primários, sua conversão em formas secundárias, à importação e a exportação, a distribuição e o uso final da energia.


7

(*) Inclui lenha, bagaço de cana, lixívia e outras recuperações.

Fig,1.4: Estrutura da oferta de energia elétrica no Brasil em 2008. Fonte: Balanço Energético Nacional 2009 – Resultados Preliminares.

A eletricidade apresenta uma combinação de atributos que a torna distinta de outros produtos, como:

dificuldade de armazenamento em termos econômicos; variações em tempo real na demanda, e na produção em caso de fontes renováveis; falhas randômicas em tempo real na geração, transmissão e distribuição; e necessidade de atender as restrições físicas para operação confiável e segura da rede

elétrica. As condições de não armazenamento e de não violação das restrições operativas impõem à eletricidade sua produção no momento exato em que é requerida ou consumida fazendo com que o dimensionamento do sistema elétrico seja determinado pelo nível máximo de energia demandada, resultando em ociosidade dessas instalações durante o período de menor demanda. O atendimento dos aspectos de simultaneidade de produção e consumo, exigindo instalações dimensionadas para a ponta de carga, e a longa distância entre os locais de geração e os centros consumidores pode ser traduzido pela necessária existência de um sistema de transmissão e de distribuição longos e complexos, apoiados por uma estrutura de instalações e equipamentos que, além de representar importantes investimentos, exigem ações permanentes de planejamento, operação e manutenção, e estão como qualquer produto tecnológico sujeito à falhas. Os sistemas elétricos são tipicamente divididos em segmentos como: geração, transmissão, distribuição, utilização e comercialização. A oferta da energia elétrica aos seus usuários é realizada através da prestação de serviço público concedido para exploração à entidade privada ou governamental. As empresas que prestam serviço público de energia elétrica o fazem por meio da concessão ou permissão concedidos pelo poder público. 1.2 História dos Sistemas Elétricos de Potência Muito da tecnologia hoje em uso deve-se a grandes pioneiros e empreendedores da eletricidade. Seus nomes e feitos são aqui registrados como tributo de reconhecimento pela grande constribuição.


8

JJaammeess WWaatttt 11773366 –– 11881199 ((EEssccooccêêss)) −− Mecânico, concebeu o princípio da máquina a vapor, que possibilitou

a revolução industrial. −− A unidade de potência útil foi dada em sua homenagem (watt).

AAlleessssaannddrroo VVoollttaa 1745 - 1827 (Italiano) − Em 1800 anunciou a invenção da bateria.

− A unidade de força eletromotriz foi criada em sua homenagem (volt).

AAnnddrréé MMaarriiee AAmmppèèrree 1775 - 1836 (Francês) − Iniciou pesquisa em 1820 sobre campos elétricos e magnéticos a

partir do anunciado de Oersted (Oe – intensidade de campo magnético).

− Descobriu que as correntes agiam sobre outras correntes. − Elaborou completa teoria experimental e matemática lançando as

bases do eletromagnetismo. − A unidade de corrente elétrica foi escolhida em sua homenagem

(ampère).

GGeeoorrgg SSiimmoonn OOhhmm 1789-1854 (Alemão) − Em 1827 enunciou a lei de Ohm.

− Seu trabalho só foi reconhecido pelo mundo científico em 1927. − As unidades de resistência, reatância e impedância elétrica foram

escolhidas em sua homenagem (ohm).

MMiicchhaaeell FFaarraaddaayy 1791-1867 (Inglês) − Físico e químico, em 1831 descobriu a indução eletromagnética. − Constatou que o movimento de um imã através de uma bobina de fio

de cobre causava fluxo de corrente no condutor. − Estabeleceu o princípio do motor elétrico.

− Considerado um dos maiores experimentalistas de todos os tempos. − A unidade de capacitância é em sua homenagem (F).

JJoosseepphh HHeennrryy 1797-1878 (Americano) − Descobriu a indutância de uma bobina.

− Em sua homenagem seu nome foi dado à unidade de indutância (henry).

GGuussttaavv RRoobbeerrtt KKiirrcchhhhooffff 1824–1887 (Alemão) − Em 1847 anunciou as leis de Kirchhoff para correntes e tensões.


9

TThhoommaass AAllvvaa EEddiissoonn 1847-1931 (Americano) − Em 1879 inventou a lâmpada elétrica.

− Patenteou 1100 invenções: cinema, gerador elétrico, máquina de escrever, etc.

− Criou a Edison General Electric Company. − Foi sócio da ‘General Electric Company’.

− Instalou em 1882 a primeira usina de geração de energia elétrica do mundo com fins comerciais, na área de Wall Street, Distrito Financeiro da cidade de New York. A Central gerava em corrente contínua, com seis unidades geradoras com potência total de 700 kW, para alimentar 7200 lâmpadas em 110 V. O primeiro projeto de êxito de central elétrica havia sido instalado no

mesmo ano em Londres, com capacidade de geração para 1000

lâmpadas2.

WWiillll iiaamm SSttaannlleeyy 1858-1968 ((AAmmeerriiccaannoo))

– Em 1885/6 desenvolveu comercialmente o transformador.

NNiikkoollaa TTeessllaa 1856-1943 (Croata-Americano) − Em 1888 inventou dos motores de indução e síncrono. − Inventor do sistema polifásico.

− Responsável pela definição de 60 Hz como freqüência padrão nos EUA.

− A unidade para densidade de fluxo magnético é em sua homenagem (T).

GGeeoorrggee WWeessttiinngghhoouussee 1846-1914 (Americano) − Inventor do disjuntor a ar.

− Comprou a patente do recém inventado transformador dos ingleses Lucien Gaulard e John D. Gibbs.

− Comprou a patente do motor elétrico de Tesla. − Em 1886 organizou a Westinghouse Electric Company. − Venceu a batalha das correntes contra Edison.


10

1.3 Conceitos Básicos:

Eletricidade não é uma coisa, é um acontecimento.

A eletricidade é o fluxo da energia elétrica através de uma trajetória contínua – circuitos

Todos os corpos são compostos de moléculas que são aglomerados de um ou mais átomos. Os átomos possuem um núcleo central com prótons (com carga positiva) e nêutrons (sem carga) e elétrons (carga negativa) que gravitam em torno do núcleo.

Em um corpo não eletrizado a quantidade de prótons é igual a quantidade de elétrons. Ao atritar dois corpos, há uma transferência de elétrons entre um corpo e outro. Aquele que perde elétrons apresenta-se com excesso de prótons e fica eletrizado positivamente. Aquele que recebe os elétrons fica eletrizado negativamente. Perderá elétrons o átomo que exercer menor força entre eles, dependendo dos materiais que estão envolvidos no processo.

Deve-se lembrar que prótons e nêutrons são localizados no centro do átomo e não podem se deslocar, por isso apenas os elétrons podem ser trocados entre dois corpos.

Condutores – Todos os materiais são constituídos de átomos. Alguns materiais possuem elétrons que ficam na periferia de seus átomos e que não permanecem ligados aos mesmos. Esses elétrons são chamados de elétrons livres e podem circular livremente entre vários átomos, essas substâncias podem transportar a carga elétrica e são chamadas de condutores. Em geral todos os metais são condutores.

Isolantes ou dielétricos – ao contrário do que acontece com os condutores, existem materiais nos quais os elétrons ficam firmemente ligados aos respectivos átomos, não possuindo elétrons livres. Isso impossibilita a transmissão de carga elétrica. Esses materiais são chamados de isolantes elétricos ou dielétricos. Ex: A borracha, o vidro, a porcelana, o plástico, o papel, a madeira.

Percebe-se que o valor da carga elétrica de um corpo (Q) pode ser medido pela quantidade de elétrons que o corpo perdeu ou ganhou no processo de eletrização. No entanto, o número de elétrons transmitido a cada processo de eletrização é enorme o que tornaria impraticável realizar os cálculos necessários. Foi criada a unidade de carga elétrica denominada 1 Coulomb = 1C. Quando se diz que um corpo possui uma carga de 1C, isso significa que este corpo ganhou (tornando-se negativo) ou perdeu (tornando-se positivo) 6,25 x 1018 elétrons.

Para que ocorra o processo de eletrização e os elétrons passem a se transferir de forma ordenada pelo fio condutor, faz-se necessário uma força que os empurre. A essa força é dado o nome de Tensão Elétrica (U ou V) e a sua unidade de medida é o V (Volt).

Portanto, corrente elétrica só é transmitida quando há uma diferença de potencial num circuito fechado, que tenderá a restabelecer o equilíbrio perdido. Se o circuito estiver aberto, apesar de a diferença de potencial existir não haverá corrente.

Tem-se que a Corrente Elétrica (I) é o fluxo de cargas (movimento ordenado de elétrons) que se desloca na seção reta de um material condutor na unidade de tempo – A unidade utilizada para corrente elétrica é o A (Ampère.) Se o fluxo de cargas for constante define-se 1 ampère = 1 coulomb/segundo


11

A diferença de potencial (ddp) entre dois pontos de um campo eletrostático é de 1 Volt quando o trabalho realizado ao se deslocar uma carga entre esses dois pontos for de 1 joule/coulomb → 1 Volt = 1 Joule/Coulomb. Essa é, portanto, uma relação entre trabalho e carga. Por exemplo: um aparelho elétrico ligado a uma tomada de 110V significa que cada carga de 1C que se movimentar receberá 110 J de energia do campo elétrico existente.

Resistências Elétricas - Os elétrons estão seguindo por um condutor aí a trajetória se estreita e eles começam a se atritar uns com os outros, isso forma a Resistência, o que provoca o aquecimento e/ou acendimento (é assim que a lâmpada acende). Há uma oposição interna do material à que as cargas circulem, deduz-se então que materiais maus condutores tem resistência mais elevada. Denomina-se Resistência Elétrica (R) à capacidade de oposição que um condutor oferece à passagem de corrente elétrica → R = V/I onde V é a diferença de potencial entre dois pontos (voltagem) e I a corrente elétrica transmitida. A unidade da Resistência será: 1 Ω = 1 Ohm = 1 V/A.

As três unidades mais básicas em eletricidade são voltagem (tensão elétrica) (V), corrente (I) e resistência (R). Como visto acima, a voltagem é medida em volts, e a corrente é medida em ampères. A resistência é medida em ohms.

Podemos utilizar uma analogia da água para entender sobre resistência. A voltagem é equivalente à pressão da água, a corrente é equivalente à taxa de fluxo e a resistência é como o tamanho do cano.

Como foi verificado, a equação expressa como os três termos são relacionados diz que a corrente é igual à voltagem dividida pela resistência. I =V/I

A tensão elétrica da origem à corrente elétrica que por sua vez provoca um efeito luminoso ou térmico que é a potência elétrica. Potência é a grandeza que mede o trabalho realizado na unidade de tempo. Trata-se da energia elétrica que se transforma em luz ou em trabalho. O consumo de energia é medido em Watt. Portanto para haver potência elétrica faz-se necessário a Tensão elétrica e a corrente elétrica - P=VI cuja unidade será VA (Volt-Ampère) essa potência é chamada de potência aparente.

Fig.1.5: Poste de Rua

Potência elétrica ativa é a parte da potência elétrica aparente que é transformada em Potência mecânica, térmica ou luminosa e é medida em Watts. Num sistema elétrico a potência (P) é igual à tensão (Voltagem) multiplicada pela corrente. P = VI, portanto Watts = Volts * ampères.

Exemplo: ao ligar um aquecedor a uma tomada de 120 volts, se ao medir-se a corrente o valor encontrado for de 10 Ampères, isso significa que o aquecedor utilizado é de 1.200 Watts. Claro, que o inverso também é verdadeiro – Ao dividir a potencia (Watt) pela Tensão (Volts) obtem-se a corrente (ampère). Exemplo: um chuveiro de 5500W ligado em 220V será percorrido por uma corrente de 5500/220= 25 A


12

Quando um corpo eletrizado negativamente, mesmo que esteja apoiado sobre uma superfície isolante, esteja ligado à terra por um condutor, os elétrons em excesso escoarão naturalmente para a Terra através do condutor, fazendo com que aquele corpo volte ao estado neutro. Quando um corpo estiver eletrizado positivamente, e esteja ligado à terra por um condutor, os elétrons livres da Terra passariam através do condutor até que a carga positiva fosse neutralizado. Essa é a Função do FIO TERRA. A rede elétrica também possui uma ligação de Fio terra.

Corrente Contínua: Baterias, células de combustível e células solares produzem corrente contínua (CC), isto é, os terminais de uma bateria são, respectivamente, positivo e negativo e a corrente contínua sempre flui no mesmo sentido entre eles.

Fig. 1.6: Forma de Onda da Corrente Contínua

Corrente Alternada: Já a força produzida por uma usina de energia é Corrente Alternada, isto é, o sentido da corrente alterna-se 50 a 60 vezes por segundo, em forma de onda. Isso facilita muito a transmissão elétrica pois com a Corrente Alternada, podemos utilizar um aparelho chamado Transformador para mudar a Voltagem quando necessário.

Fig. 1.7: Forma de Onda da Corrente Altertnada

Assim podem-se utilizar enormes voltagens para transmitir energia para longas distâncias gerando economia financeira. Por exemplo: se uma usina de energia produz 1 milhão de watts de potência, pode-se transmitir essa potência de 1 milhão de ampères a 1 volt, exigindo um grande cabeamento, ou enviar 1 ampère a 1 milhão de volts o que pode ser

feito com um fio fino. O uso de CA apresenta vantagens sobre o uso CC em uma rede de distribuição de energia:


13

Energia Trifásica: A energia elétrica é gerada na usina elétrica que, na maior parte das vezes, é constituida de um gerador elétrico rotativo acionado por alguma fonte: turbina hidráulica, motor movido combustíveis fósseis ou lenha ou bagaço de cana, ou por um motor a vapor, alimentado por óleo ou mesmo por um dispositivo nuclear. A energia gerada é trifásica em Corrente Alternada. Para entender o conceito da energia trifásica, faz-se necessário entender a energia monofásica. Ao analisar a energia de uma tomada residencial com um osciloscópio, vemos que a mesma toma a forma de uma onda senoidal oscilando entre 120 e 170 volts e com uma freqüência de 60 ciclos por segundo (Hertz). Como já foi citada, essa é a característica de uma Corrente alternada CA que normalmente é monofásica, isto é, contém uma única fase e um neutro. A usina elétrica produz energia CA Trifásica, isto é, em três fases simultaneamente, sendo que as três possuem um ângulo de 120º de defasagem uma em relação à outra. Portanto, há 4 cabos saindo de cada usina elétrica: as três fases mais o neutro ou terra, comum para todas as fases. Abaixo um gráfico demonstrando a forma das três fases em relação o terra:

Fig.1.8: Forma de Onda da Corrente Alternada Trifásica

Essa não foi uma escolha aleatória. Observem o gráfico acima, num sistema com uma ou duas fases, existem 120 instantes por segundo em que uma onda senoidal cruza o 0 volt. Já em um sistema trifásico, em qualquer instante uma das fases está próxima do pico. Dessa forma, a um aumento considerável da Potência para uso em motores e equipamentos trifásicos industriais. O Terra, no sistema de distribuição de energia, possui também a função de retorno. Por ser um ótimo condutor, representa um bom caminho de retorno para os elétrons.

1.3.1 Resumo:

Tensão Elétrica - “voltagem” Símbolo = U (ou V); Unidade = Volt (V).

Definição: Diferença de potencial entre dois condutores elétricos (fase e neutro). Em SP, condutor fase está a 127V e condutor neutro está a 0V. (força que impulsiona os elétrons livres nos fios)

Corrente Elétrica - “amperagem”; Símbolo = I; Unidade = Ampère (A).

Definição: A passagem de energia elétrica por um condutor elétrico submetido a uma diferença de potencial (é o movimento ordenado dos elétrons livres nos fios)

Resistência Elétrica - Símbolo = R; Unidade = Ohm (Ω).

Definição: Resistência à passagem de corrente elétrica em um condutor

Potência Ativa - Símbolo = P; Unidade = Watt (W).

Definição: Energia instantânea, o consumo em cada instante, de um aparelho elétrico.

Energia - Símbolo = E; Unidade = Watt-hora (Wh).


14

Definição: Capacidade de realizar trabalho; potência num intervalo de tempo.

Fig.1.9: Gráficos da Tensão e da Potência em função da Corrente

1.3.2 Formulário:

IRV RVI

IVR

tIVE (tempo, em horas) tIRE 2 tR

VE

2

tEP IVP 2IRP

RVP

2

VPI

1.3.3 Exercício:

Existem muitos exercícios para você vivenciar a geração de energia elétrica, basta pegar um bom livro de física do segundo grau. Se você nunca os fez, vale a pena fazer: Passe um pente de plástico vigorosamente em seus cabelos secos e limpos e depois o aproxime sem tocar de: pequenos pedaços de papel de seda ou de isopor, ou um filete de água correndo pela torneira. Observe.


15

1.4 Geração, Transmissão, Distribuição

1.4.1 Geração de Energia Elétrica:

Fig.1.10: Principais Fontes de Energia

No Brasil, devido ao predomínio do relevo planáltico e à grande disponibilidade de recursos hídricos, com rios extensos e volumosos, as hidrelétricas são as principais responsáveis pela geração de energia. Nosso potencial hidráulico é um dos maiores do planeta, superado apenas por Rússia e Canadá.


16

Fig.1.11: Mapa atual das usinas hidroelétricas, Termoelétricas e eólicas instaladas no país

O setor energético passou por privatizações e foi dividido por áreas:

1.4.1.1 Operação – O responsável pelas redes de transmissão, distribuição e usinas e controle do nível de reservatórios é Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS). A Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) regula e fiscaliza o setor, liberando concessões.

1.4.1.2 Usinas Hidroelétricas

Fig.1.12: Usina hidroelétrica de Itaipu - PR


17

Apesar do elevado custo para a construção e do impacto do reservatório na região, as usinas não poluem em funcionamento, e aproveitam um recurso até bem pouco tempo considerado inesgotável, a água. Porém, a energia não pode ser estocada e exige uma complicada rede de transmissão. As partes principais de uma usina hidrelétrica são: a barragem, que Usina hidroelétrica de Itaipu – PR tem por função barrar o fluxo da água do rio, represando-a; as comportas e o vertedouro, que controlam o nível de água da represa, evitando transbordamentos; e a casa de máquinas, onde estão instalados os geradores acoplados às turbinas.

Fig.1.13: Cada das Máquinas

Fig.1.14: Gerador de Energia Elétrica

Para transformar a força das águas em energia elétrica, a água represada passa por dutos forçados, gira a turbina que, por estar interligada ao eixo do gerador, faz com que este entre em movimento, gerando a eletricidade.

1.4.1.3 Usinas termoelétricas


18

Fig.1.15: Usina termoelétrica de Uruguaiana -RS

As usinas termelétricas ou centrais térmicas, no Brasil, são acionadas com variados combustíveis:

Fósseis: petróleo, carvão mineral, diesel, óleo, gás natural,

Não fósseis – madeira, bagaço de cana, carvão vegetal,

Nuclear – urânio enriquecido.

Apesar de poluir o ambiente em funcionamento, esse tipo de usina apresenta algumas vantagens como: não necessita de rios, aumentando a flexibilidade na localização; quando usa o gás natural, apresenta o menor custo por hora, em relação às outras usinas; o tempo máximo para a construção é de 2,5 anos, contrapondo-se a 5 anos das hidrelétricas e pode funcionar com recurso renovável, como o biogás e o próprio bagaço de cana. No caso de uma usina termelétrica, a energia é gerada de uma forma diferente da encontrada na usina hidroelétrica, tem-se:

a fornalha, onde é queimado o combustível; a caldeira, onde é produzido o vapor. O jato de vapor extraído da caldeira gira a turbina que,

por estar interligada ao eixo do gerador faz com que este entre em movimento, gerando a eletricidade.

Em 1999, o Ministério das Minas e Energia lançou o Programa Prioritário das Termelétricas (PPT), associado à construção do gasoduto Bolívia-Brasil e, posteriormente, à crise energética de 2001. O Estado de São Paulo é o grande beneficiado, devido ao alto consumo, com projetos para as construções dessas centrais.

1.4.1.4 Usinas Eólicas


19

Fig.1.16: Estrutura de uma Usina Aeólica

As Usinas Eólicas aproveitam a força da velocidade dos ventos para gerar eletricidade. São grandes hélices instaladas em locais altos onde a ação do vento seja permanente e intensa. Quando não há vento não é possível a geração de energia elétrica. A grande vantagem da usina eólica é que não existe nenhum tipo de poluição. Particularmente, acredito que fontes de energia alternativas e limpas e sem impacto para o meio ambiente devem ser adotadas como principais fontes de energia, como a energia eólica ou a energia solar. Isso já vem acontecendo aos poucos, mas as usinas hidroelétricas ainda são responsáveis por 87% da geração de energia elétrica em nosso país.

Fig.1.17: Usina Eólica de Macau

1.4.2 Transmissão

A rede elétrica é pública e seu sistema de distribuição pode ser visto através dos cabos que estão presentes nas ruas da cidade e estradas. Da usina até o ponto de utilização a energia se utiliza de um sistema chamado de rede de distribuição de energia. A eletricidade percorre longas distâncias para chegar até seu destino. Durante esse percurso, perde-se certa quantidade de energia. Para diminuir as perdas, a tensão é elevada em subestações próximas à usina e vai sendo diminuída até a entrada da edificação.


20

A seguir, uma ilustração e descrição dos diversos componentes da rede de distribuição de energia.

Fig.1.18: Estrutura de Transmissão de Energia Elétrica

1.4.2.1 Subestação Elevadora – Subestação de transmissão

Como já foi citada, a necessidade de sistemas de transmissão em tensão superior à da geração se deve a impossibilidade de transmitir diretamente a potência elétrica gerada nas usinas, pois as correntes seriam muito elevadas e as quedas de tensão e perda de potência inviabilizam técnica e economicamente as transmissões. Com a elevação da tensão, a potência gerada nas usinas pode ser transmitida em correntes inferiores a da geração o que viabiliza as transmissões. Desse modo, utiliza-se uma subestação elevadora junto à geração de energia para elevar a tensão elétrica. Assim, nesse nível de tensão, a eletricidade pode percorrer longas distâncias pelas linhas de transmissão, sustentadas por torres, até chegar às proximidades de onde será consumida.

Fig.1.19: Subestação Elevadora de Brumado - BA


21

A energia trifásica (sinais de tensão e corrente CA) sai do gerador e segue para a subestação de transmissão na usina elétrica. Essa subestação utiliza grandes transformadores para elevar a tensão do gerador até tensões extremamente altas, para a transmissão de longa distância através da rede de transmissão. As tensões típicas para a transmissão de longa distância variam de 155 mil a 765 mil volts. A distância máxima de uma transmissão típica é de aproximadamente 483 km.

1.4.2.2 Linhas de Transmissão

São enormes torres que conduzem a energia das usinas até os centros urbanos em condições de alta tensão.

Entre a geração e a distribuição, estão os sistemas em distribuição em CA:

Ultra Alta Tensão – acima de 765KV Extra Alta Tensão – 345, 440 e 500 KV Alta Tensão – 138 ou 230 KV

Todas as torres da figura possuem três cabos, sendo um para cada fase. Algumas torres possuem cabos extras correndo ao longo de seu topo. Estes são cabos aterrados e tem como função atrair raios.

Fig.1.20: Torre de distribuição


22

1.4.3 Distribuição

1.4.3.1 Subestação Abaixadora ou Subestação de distribuição

Para ser distribuída pelos fios da cidade, a eletricidade tem sua tensão reduzida em subestações abaixadoras através de transformadores. A tensão de linha de transmissão é baixada para valores padronizados nas redes de distribuição primária – 6, 11, 13.8, 15 e 34.5 KV. Uma subestação de distribuição geralmente tem como características:

Tem transformadores que reduzem a tensão de transmissão para a tensão de distribuição

Tem um "barramento" que pode direcionar a energia para várias cargas; Geralmente há disjuntores e chaves, visando desconectar a subestação da rede de

transmissão ou desligar linhas que saem da subestação de distribuição quando necessário.

Fig.1.21: Substação Abaixadora

1.4.3.2 Redes de distribuição

Das subestações distribuição primária (alta tensão), partem as redes de distribuição secundária (baixa tensão). Finalmente, a energia elétrica é transformada novamente para os padrões de consumo local e chega às residências e outros estabelecimentos – tensão 230/127V No Brasil há cidades onde a tensão fase neutro é de 220V – Região Norte, Nordeste e outras em 110, 120 ou 127 V como região sul, São Paulo, Rio de janeiro. As redes de distribuição nos centros urbanos também podem ser aéreas ou subterrâneas. Nas redes aéreas os transformadores são montados nos próprios postes ou em subestações abrigadas. A entrada de energia nas edificações é chamada de ramal de entrada. Como vimos as redes de distribuição são trifásicas, mas as ligações para consumo podem ser monofásicas, bifásicas ou trifásicas de acordo com a carga necessária:

Até 15 KW – monofásica (um fase e um neutro) De 15 KW a 25 KW – bifásica (dois fases e um neutro) Maior que 25 KW – trifásica (três fases e um neutro)


23

Fig.1.22: Subestação de Distribuição

Na figura anterior vê-se um grande equipamento em primeiro plano, esse é o transformador. À direita está o barramento de distribuição e seus reguladores de tensão. A energia segue do transformador para o barramento de distribuição que distribui a energia para dois conjuntos separados de linhas de distribuição em duas tensões diferentes. A partir daí segue por postes de transmissão.

Fig.1.23: Poste de Distribuição


24

Na figura anterior os três cabos no alto dos postes são os três cabos para a energia trifásica. O quarto cabo mais abaixo é o fio terra. Muitas vezes vê-se cabos extras, normalmente fios de telefone ou de TV a cabo que utilizam os mesmos postes. Como já mencionado, essa subestação em particular produz dois níveis de tensão. A tensão mais alta precisa ser reduzida novamente, o que geralmente acontecerá em outra subestação ou em transformadores menores em algum lugar da linha.

Fig.1.24: Fios dos Postes

Em alguns postes, vemos também transformadores cuja função é diminuir ainda mais a tensão, de modo que a energia possa ser usada nas edificações, chegando a tensão de 127/230 volts.

1.4.3.3 Terminais

Uma casa precisa de apenas uma das três fases; então, é comum terminais para uma ou duas das fases escoarem pelas ruas laterais. Na figura a seguir, vê-se um terminal trifásico para um bifásico, com duas fases sendo derivadas para a direita.


25

Fig.1.25: Posto de Ligação

1.4.3.4 Na Residência

Fig.1.26: Construção do Transformador

E, finalmente, estamos no cabo que leva a energia até sua casa! Fora de uma casa comum existe um conjunto de postes com um condutor fase e um fio condutor terra (embora às vezes haja duas ou três fases no poste, dependendo de onde a casa está localizada na rede de distribuição). Em cada casa, ou trecho de rua, há um transformador. O trabalho do transformador é reduzir a voltagem de transmissão para os 230 ou 127 volts usados nas instalações elétricas residenciais normais. Os 230 ou 127 volts entram em sua casa através de um típico wattímetro como este:


26

Fig.1.27: Medidor de Consumo de Energia

O medidor permite que a empresa de energia cobre você. Voltarei a esse assunto posteriormente.

1.4.3.5 Exercícios:

1. Ande por aí, observando e fotografando o sistema de transmissão de energia elétrica.

2. Comece a verificar se existe algum padrão na instalação elétrica de sua residência. Altura das tomadas e interruptores, voltagem, amperagem. Olhe atrás dos equipamentos eletrônicos e anote todas as informações que encontrar por lá.


27

1.5.1 Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro O setor elétrico mundial tem passado por amplo processo de re-estruturação organizacional. No modelo atual os sistemas elétricos são tipicamente divididos em segmentos como geração, transmissão, distribuição, e comercialização. No Brasil, este processo de re-estruturação foi desencadeado com a criação de um novo marco regulatório, a desestatização das empresas do setor elétrico, e a abertura do mercado de energia elétrica. Para gerenciar este novo modelo do setor elétrico, o Governo Federal criou a estrutura organizacional apresentada na Figura 1.27 e definida a seguir.

Fig.1.28: Estrutura organizacional e os agentes do setor elétrico brasileiro.

Fonte: ANEEL a) 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, o aproveitamento natural dos recursos energéticos do país, a revisão periódica da matriz energética e a definição de diretrizes para programas específicos. b) 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. c) 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 eletro energético em todo o território. d) Empresa de Pesquisa Energética - EPE Empresa pública federal vinculada ao MME tem por finalidade prestar serviços na área de


28

estudos e pesquisas destinados a subsidiar o planejamento do setor energético. e) Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL Autarquia vinculada ao MME, com finalidade de regular a fiscalização, a produção, transmissão, distribuição e comercialização de energia, em conformidade com as políticas e diretrizes do Governo Federal. A ANEEL detém o poder regulador e fiscalizador. f) Operador Nacional do Sistema Elétrico - ONS Pessoa jurídica de direito privado, sem fins lucrativos, sob regulação e fiscalização da ANEEL, 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. g) Câmara de Comercialização de Energia Elétrica - CCEE Pessoa jurídica de direito privado, sem fins lucrativos, sob regulação e fiscalização da ANEEL, com 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. A comercialização de energia elétrica é atualmente realizada em dois ambientes diferentes: - Ambiente de Contratação Livre (ACL): destinado ao atendimento de consumidores livres3 por meio de contratos bilaterais firmados com produtores independentes de energia, agentes comercializadores ou geradores estatais. Estes últimos só podem fazer suas ofertas por meio de leilões públicos. - Ambiente de Contratação Regulada (ACR): destinado ao atendimento de consumidores cativos por meio das distribuidoras, sendo estas supridas por geradores estatais ou independentes que vendem energia em leilões públicos anuais. h) Agências Estaduais de Energia Elétrica Nos estados foram criadas as Agências Reguladoras Estaduais com a finalidade de descentralizar as atividades da ANEE. A Figura 1.28 apresenta as agências reguladoras estaduais.

3: Consumidor livre: consumidor que pode optar pela compra de energia elétrica junto a qualquer fornecedor, que é atendido em qualquer tensão e com demanda contratada mínima de 3MW. (Resolução ANEEL No. 264 e 456).


29

Fig.1.29: Agências reguladoras nacionais. i) Eletrobrás A Eletrobrás controla grande parte dos sistemas de geração e transmissão de energia elétrica do Brasil por intermédio de seis subsidiárias: Chesf, Furnas, Eletrosul, Eletronorte, CGTEE (Companhia de Geração Térmica de Energia Elétrica) e Eletronuclear. A empresa possui ainda 50% da Itaipu Binancional e também controla o Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (Cepel), o maior de seu gênero no Hemisfério Sul. A Eletrobrás dá suporte a programas estratégicos do governo federal, 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). j) Agentes Setoriais Agentes relacionados ao setor de energia elétrica (Tabela 1.1). Tabela 1.1 Associações Setoriais de Energia Elétrica.

ABRAGE Associação Brasileira das Empresas Geradoras de Energia Elétrica. Empresas associadas: AES TIETÊ, CDSA, CEMIG, CESP, CEEE, DUKE-GP, CHESF, COPEL, ELETRONORTE, EMAE, FURNAS, LIGHT, TRACTEBEL ENERGIA

ABRATE Associação Brasileira de Grandes Empresas de Transmissão de Energia Elétrica. Empresas associadas: CEMIG, CTEEP, CHESF, COPEL Transmissão S.A, ELETRONORTE, Furnas Centrais Elétricas AS, Companhia Estadual de Geração e Transmissão de Energia Elétrica - CEEE GT, ELETROSUL Centrais Elétricas S.A.


30

ABRADEE Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica. Empresas associadas (48 dentre as 67 concessionárias de distribuição): AES SUL DISTRIBUIDORA GAÚCHA DE ENERGIA S.A.; AMPLA - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO RIO DE JANEIRO; BANDEIRANTE ENERGIA S.A.; BOA VISTA ENERGIA S.A.; COMPANHIA DE ELETRICIDADE DA BORBOREMA; EMPRESA ELÉTRICA BRAGANTINA; CAIUA SERVIÇOS DE ELETRICIDADE S.A.; COMPANHIA FORÇA E LUZ CATAGUAZES LEOPOLDINA; CEAL – COMPANHIA ENERGÉTICA DE ALAGOAS; CEAM - COMPANHIA ENERGÉTICA DO AMAZONAS (incorporada pela Manaus Energia S.A. (MASA); CEB -COMPANHIA ENERGÉTICA DE BRASÍLIA; CEEE - COMPANHIA ESTADUAL DE ENERGIA ELÉTRICA; CELESC - CENTRAIS ELÉTRICAS DE SANTA CATARINA S.A; CELG - COMPANHIA ENERGÉTICA DE GOIÁS; CELPA – CENTRAIS ELÉTRICAS DO PARÁ S.A.; CELPE – COMPANHIA ENERGÉTICA DE PERNAMBUCO; CELTINS - COMPANHIA DE ENERGIA ELÉTRICA DO ESTADO DO TOCANTINS; CEMAR - COMPANHIA ENERGÉTICA DO MARANHÃO; CEMAT - CENTRAIS ELÉTRICAS MATOGROSSENSES S.A.; CEMIG - COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS GERAIS; CENF - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DE NOVA FRIBURGO; CEPISA - COMPANHIA ENERGÉTICA DO PIAUÍ; CERON - CENTRAIS ELÉTRICAS DE RONDÔNIA S.A; CFLO - COMPANHIA FORÇA E LUZ DO OESTE; CHESP - COMPANHIA HIDROELÉTRICA SÃO PATRÍCIO; COELBA - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO ESTADO DA BAHIA; COELCE - COMPANHIA ENERGÉTICA DO CEARÁ; COPEL - COMPANHIA PARANAENSE DE ENERGIA; COSERN - COMPANHIA ENERGÉTICA DO RIO GRANDE DO NORTE; CPEE - COMPANHIA PAULISTA DE ENERGIA ELÉTRICA; CPFL - COMPANHIA PAULISTA DE FORÇA E LUZ; – P.CALDAS -DEPARTAMENTO MUNICIPAL DE ELETRICIDADE DE POÇOS DE CALDAS; ELEKTRO - ELEKTRO ELETRICIDADE E SERVIÇOS S.A; ELETROACRE -COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO ACRE; ELETROCAR - CENTRAIS ELÉTRICAS DE CARAZINHO S.A.; ELETROPAULO - ELETROPAULO METROPOLITANA ELETRICIDADE DE SÃO PAULO S.A.; ENERGIPE - EMPRESA ENERGÉTICA DE SERGIPE S.A.; ENERSUL EMPRESA ENERGÉTICA DE MATO GROSSO DO SUL S.A.; ESCELSA - ESPÍRITO SANTO CENTRAIS ELÉTRICAS S.A.; IGUAÇU DISTRIBUIDORA DE ENERGIA ELÉTRICA LTDA.; LIGHT SERVIÇOS DE ELETRICIDADE S.A.; MANAUS ENERGIA S.A.; COMPANHIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA; HIDROELÉTRICA PANAMBI S.A.; EMPRESA DE ELETRICIDADE VALE PARANAPANEMA S.A.; COMPANHIA PIRATININGA DE FORÇA E LUZ; RGE - RIO GRANDE ENERGIA S.A.; SAELPA - SOCIEDADE ANÔNIMA DE ELETRIFICAÇÃO DA PARAÍBA; EMPRESA LUZ E FORÇA SANTA MARIA S.A.; SULGIPE - COMPANHIA SUL SERGIPANA DE ELETRICIDADE.


31

ABEER Associação Brasileira das Empresas de Energia Renovável ABRACEEL Associação Brasileira dos Agentes Comercializadores de Energia Elétrica

ABRACEE Associação Brasileira de Grandes Consumidores Industriais de Energia e de Consumidores Livres

APINE Associação Brasileira dos Produtores Independentes de Energia Elétrica - Os produtores independentes (PIEs) são empresas ou grupo de empresas reunidas em consórcio, com autorização ou concessão para produzir energia destinada ao comércio de toda ou parte da produção por sua conta e risco. Os PIs têm como garantia o livre acesso aos sistemas elétricos, além disso, têm autonomia para fechar contratos bilaterais de compra e venda de energia elétrica.

1.5.2 Estrutura de um Sistema Elétrico de Potência O objetivo de um sistema elétrico de potência (SEP) é gerar, transmitir e distribuir energia elétrica atendendo a determinados padrões de confiabilidade, disponibilidade, qualidade, segurança e custos, com o mínimo impacto ambiental e o máximo de segurança pessoal. - Confiabilidade e disponibilidade são duas importantes e distintas características que os SEPs devem apresentar. Ambos são expressos em %. o Confiabilidade representa a probabilidade de componentes, partes e sistemas realizarem suas funções requeridas por um dado período de tempo sem falhar. Confiabilidade representa o tempo que o componente, parte ou sistema levará para falhar. A confiabilidade não reflete o tempo necessário para a unidade em reparo retornar à condição de trabalho. o Disponibilidade é definida como a probabilidade que o sistema esteja operando adequadamente quando requisitado para uso. Em outras palavras, é a probabilidade de um sistema não estar com falha ou em reparo quando requisitado para uso. A expressão abaixo quantifica a disponibilidade:


32

A = MTBF

MTBF + MTTR A – availability (disponibilidade) MTBF – tempo médio entre falhas ou MTTF MTTR – tempo médio para reparo – inclui desde a detecção até a retificação da falha. A disponibilidade é função da confiabilidade e da manutenabilidade – exercício da manutenção. Se um sistema tem uma alta disponibilidade não necessariamente terá uma alta confiabilidade.

Tabela 1.2 Relação entre confiabilidade, manutenabilidade e disponibilidade. [Fonte:

http://www.weibull.com/hotwire/issue26/relbasics26.htm]

Confiabilidade Manutenabilidade Disponibilidade Constante Diminuir Diminuir Constante Aumentar Aumentar Aumentar Constante Aumentar Diminuir Constante Diminuir

Como pode ser visto na Tabela 1.2, se a confiabilidade é mantida constante, mesmo em um valor alto, isto não implica diretamente uma alta disponibilidade. Quando o tempo para reparo aumenta, a disponibilidade diminui. Mesmo um sistema com uma baixa confiabilidade poderia ter uma alta disponibilidade se o tempo para reparo é curto. – Qualidade da energia é a condição de compatibilidade entre sistema supridor e carga atendendo critérios de conformidade senoidal. – Segurança está relacionado com a habilidade do sistema de responder a distúrbios que possam ocorrer no sistema. Em geral os sistemas elétricos são construídos para continuar operando após ser submetido a uma contingência. A estrutura do sistema elétrico de potência compreende os sistemas de geração, transmissão, distribuição e subestações de energia elétrica, em geral cobrindo uma grande área geográfica.

Fig.1.30: Estrutura básica de um sistema elétrico.

O sistema atual de energia elétrica é baseado em grandes usinas de geração que transmitem


33

energia através de sistemas de transmissão de alta tensão, que é então distribuída para sistemas de distribuição de média e baixa tensão. Em geral o fluxo de energia é unidirecional e a energia é despachada e controlada por centro(s) de despacho com base em requisitos pré-definidos. Normalmente os sistemas de distribuição são gerenciados por monopólios empresariais, enquanto o setor de geração e de transmissão apresenta certa competitividade em um sistema desverticalizado. A Figura 1.30 ilustra os três segmentos tradicionais de redes de energia elétrica.

Fig.1.31: Estrutura tradicional de uma rede de energia elétrica.

Fonte: Aneel.

1.5.3 Geração de Energia Elétrica Na geração de energia elétrica uma tensão alternada é produzida, a qual é expressa por uma onda senoidal, com freqüência fixa e amplitude que varia conforme a modalidade do atendimento em baixa, média ou alta tensão. Essa onda senoidal propaga-se pelo sistema elétrico mantendo a freqüência constante e modificando a amplitude à medida que trafegue por transformadores. Os consumidores conectam-se ao sistema elétrico e recebem o produto e o serviço de energia elétrica. 1.5.4 Rede de Transmissão A rede de transmissão liga as grandes usinas de geração às áreas de grande consumo. Em geral apenas poucos consumidores com um alto consumo de energia elétrica são conectados às redes de transmissão onde predomina a estrutura de linhas aéreas. A segurança é um aspecto fundamental para as redes de transmissão. Qualquer falta neste nível pode levar a descontinuidade de suprimento para um grande número de consumidores. A energia elétrica é permanentemente monitorada e gerenciada por um centro de controle. O nível de tensão depende do país, mas normalmente o nível de tensão estabelecido está entre 220 kV e 765 kV. 1.5.5 Rede de Sub-Transmissão A rede de sub-transmissão recebe energia da rede de transmissão com objetivo de transportar energia elétrica a pequenas cidades ou importantes consumidores industriais. O nível de tensão está entre 35 kV e 160 kV. Em geral, o arranjo das redes de sub-transmissão é em anel para aumentar a segurança do sistema. A estrutura dessas redes é em geral em linhas aéreas, por vezes cabos subterrâneos próximos a centros urbanos fazem parte da rede. A permissão para novas linhas aéreas está cada vez mais demorada devido ao grande número de estudos de impacto ambiental e oposição social. Como resultado, é cada vez mais difícil e caro para as redes de sub-transmissão alcançar áreas de alta densidade populacional. Os sistemas de proteção são do mesmo tipo daqueles


34

usados para as redes de transmissão e o controle é regional. 1.5.6 Redes de Distribuição As redes de distribuição alimentam consumidores industriais de médio e pequeno porte, consumidores comerciais e de serviços e consumidores residenciais. Os níveis de tensão de distribuição são assim classificados segundo o Prodist:

Alta tensão de distribuição (AT): tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou superior a 69kV e inferior a 230kV.

Média tensão de distribuição (MT): tensão entre fases cujo valor eficaz é superior a 1kV e

inferior a 69kV.

Baixa tensão de distribuição (BT): tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou inferior a 1kV.

De acordo com a Resolução No456/2000 da ANEEL e o módulo 3 do Prodist, a tensão de fornecimento para a unidade consumidora se dará de acordo com a potência instalada:

Tensão secundária de distribuição inferior a 2,3kV: quando a carga instalada na unidade consumidora for igual ou inferior a 75 kW;

Tensão primária de distribuição inferior a 69 kV: quando a carga instalada na unidade

consumidora for superior a 75 kW e a demanda contratada ou estimada pelo interessado, para o fornecimento, for igual ou inferior a 2.500 kW;

Tensão primária de distribuição igual ou superior a 69 kV: quando a demanda contratada ou

estimada pelo interessado, para o fornecimento, for superior a 2.500 kW. As tensões de conexão padronizadas para AT e MT são: 138 kV (AT), 69 kV (AT), 34,5 kV (MT) e 13,8 kV (MT). O setor terciário, tais como hospitais, edifícios administrativos, pequenas indústrias, etc, são os principais usuários da rede MT. A rede BT representa o nível final na estrutura de um sistema de potência. Um grande número de consumidores, setor residencial, é atendido pelas redes em BT. Tais redes são em geral operadas manualmente.

Tabela 1.3 Tensões Nominais Padronizadas de Baixa Tensão – Prodist Módulo 3

A Figura 1.32 mostra um diagrama com a representação dos vários segmentos de um sistema de potência com seus respectivos níveis de tensão.


35

Classificação: Acima de 765 kV (UAT) 230kV<V≤765kV (EAT) 35 kV <V≤ 230kV (AT) 1 kV<V≤ 35 kV (MT) V ≤ 1000 V (BT)

Figura 1.32: Faixas de tensão de sistemas elétricos.

Os níveis de tensões praticados no Brasil são: 765 kV, 525 kV, 500 kV, 440 kV, 345 kV, 300 kV, 230 kV, 161 kV, 138 kV, 132 kV, 115 kV, 88 kV, 69 kV, 34,5 kV, 23 kV, 13,8 kV, 440 V, 380 V, 220 V, 110 V. 1.6 Características do Sistema Elétrico Brasileiro 1.6.1 Geração de Energia Elétrica no Brasil O sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil pode ser classificado como hidrotérmico de grande porte, com forte predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários. A maior parte da capacidade instalada é composta por usinas hidrelétricas, que se distribuem em 12 diferentes bacias hidrográficas nas diferentes regiões do país de maior atratividade econômica. São os casos das bacias dos rios Tocantins, Paranaíba, São Francisco, Paranaíba, Grande, Paraná, Tietê, Paranapanema, Iguaçu, Uruguai e Jacuí onde se concentram as maiores centrais hidrelétricas.


36

Fig.1.33: Integração eletroenergética no Brasil. Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/mapas_sin.aspx#

Os reservatórios nacionais situados em diferentes bacias hidrográficas, que não têm nenhuma ligação física entre si, funcionam como se fossem vasos comunicantes interligados por linhas de transmissão. A capacidade de geração do Brasil em 2008 é de 104.851.356 kW de potência, com um total de total 2.100 empreendimentos em operação.

Fig.1.34: Participação de fontes de geração no Brasil4.

Fonte: Annel

Os dez agentes de maior capacidade instalada no país são apresentados na Tabela 1.4.


37

Tabela 1.4 Maiores agentes de capacidade instalada no Brasil (Usinas em Operação). Fonte: Aneel

Nº

Agentes do Setor Potência Instalada

(kW) 1º Companhia Hidro Elétrica do São

Francisco CHESF 10.618.327

2º Furnas Centrais Elétricas S/A. FURNAS 9.456.900 3º Centrais Elétricas do Norte do Brasil S/A.

ELETRONORTE 9.256.933,10

4º

Companhia Energética de São Paulo CESP

7.455.300

5º Itaipu Binacional ITAIPU 7.000.000 6º Tractebel Energia S/ATRACTEBEL 6.965.350 7º CEMIG Geração e Transmissão S/A CEMIG-GT

6.782.134

8º Petróleo Brasileiro S/APETROBRÁS 4.832.276,60 9º Copel Geração e Transmissão

S.A.COPEL-GT 4.544.914

10º AES Tietê S/AAES TIETÊ 2.645.050 1.6.2 Sistema Interligado Nacional - SIN O parque gerador nacional é constituído, predominantemente, de centrais hidrelétricas de grande e médio porte, instaladas em diversas localidades do território nacional. Por outro lado, existe uma concentração de demanda em localidades industrializadas onde não se concentram as centrais geradoras. Estas características são imperativas para a implantação de um sistema de transmissão de longa distância. Até 1999, o Brasil possuía vários sistemas elétricos desconectados, o que impossibilitava uma operação eficiente das bacias hidrográficas regionais e da transmissão de energia elétrica entre as principais usinas geradoras. Com o objetivo de ampliar a confiabilidade, aperfeiçoar os recursos energéticos e homogeneizar mercados foi criado o sistema interligado nacional - SIN, o qual é responsável por mais de 95% do fornecimento nacional. Sua operação é coordenada e controlada pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS.

A Operação Nacional do Sistema Elétrico através do ONS concentra sua atuação sobre a Rede de Operação do Sistema Interligado Nacional. A Rede de Operação é constituída pela Rede Básica, Rede Complementar, e Usinas submetidas ao despacho centralizado, sendo a Rede Complementar aquela situada fora dos limites da Rede Básica e cujos fenômenos têm influência significativa nesta.

4: Legenda: CGH Central Geradora Hidrelétrica (até 1MW); EOL Central Geradora Eolielétrica; PCH Pequena Central Hidrelétrica (de 1MW a 30MW); SOL Central Geradora Solar Fotovoltaica; UHE Usina Hidrelétrica de Energia; UTE Usina Termelétrica de Energia; UTN Usina Termonuclear.


38

Fig.1.35: Redes de operação do sistema interligado nacional Fonte: ONS.

O sistema interligado de eletrificação permite que as diferentes regiões permutem energia entre si, quando uma delas apresenta queda no nível dos reservatórios. Como o regime de chuvas é diferente nas regiões Sul, Sudeste, Norte e Nordeste, os grandes troncos (linhas de transmissão da mais alta tensão: 500 kV ou 750 kV) possibilitam que os pontos com produção insuficiente de energia sejam abastecidos por centros de geração em situação favorável. Sistema B Sistema A Sistema C

Sistema D Sistema E

Fig.1.36: Exemplo de sistema elétrico interligado.

Vantagens dos sistemas interligados:

Aumento da estabilidade – sistema torna-se mais robusto podendo absorver, sem perda de sincronismo, maiores impactos elétricos.

Aumento da confiabilidade – permite a continuidade do serviço em decorrência da falha ou manutenção de equipamento, ou ainda devido às alternativas de rotas para fluxo da energia.

Aumento da disponibilidade do sistema – a operação integrada acresce a disponibilidade de energia do parque gerador em relação ao que se teria se cada empresa operasse suas usinas isoladamente.

Mais econômico – permite a troca de reservas que pode resultar em economia na capacidade de reservas dos sistemas. O intercâmbio de energia está baseado no pressuposto de que a demanda máxima dos sistemas envolvidos acontece em horários diferentes. O intercâmbio pode também ser motivado pela importação de energia de baixo custo de uma fonte geradora, como por exemplo, a energia hidroelétrica para outro sistema cuja fonte geradora apresenta custo mais elevado.


39

Nº Agentes do Setor km de linhas 1º FURNAS 19.082 2º CTEEP 18.495 3º CHESF 18.260 4º Eletrosul 10.693 5º Eletronorte 7.856 6º CEEE 6.008 7º CEMIG 4.875 8º COPEL 1.766

Desvantagens dos sistemas interligados: Distúrbio em um sistema afeta os demais sistemas interligados. A operação e proteção tornam-se mais complexas.

1.6.3 Transmissão de Energia Elétrica no Brasil As linhas de transmissão no Brasil costumam ser extensas, porque as grandes usinas hidrelétricas geralmente estão situadas a distâncias consideráveis dos centros consumidores de energia. Hoje o país está quase que totalmente interligado, de norte a sul. As principais empresas investidoras em linhas de transmissão no país estão relacionadas na Tabela 1.5.

Tabela 1.5 Maiores transmissores do país – Extensão de linhas (km) Fonte ABRATE Maio/2008 Apenas o Amazonas, Roraima, Acre, Amapá, Rondônia e parte dos Estados do Pará ainda não fazem parte do sistema integrado de eletrificação. Nestes Estados, o abastecimento é feito por pequenas usinas termelétricas ou por usinas hidrelétricas situadas próximas às suas capitais. No Brasil, a interligação do sistema elétrico liga as diferentes regiões do país como pode ser visto no mapa da Figura 1.37 que apresenta o Sistema de Transmissão Nacional.


40

Figura 1.37: Sistema de transmissão brasileiro [Fonte: Aneel]. [Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/mapas_sin.aspx#]

Sistema norte – centro-oeste → o primeiro circuito de interligação, conhecido por Linhão

Norte-Sul, foi construído em 500 kV, com 1.277 km de extensão, capacidade de transmissão de 1100MW e com transferência média de 600MW, o que representou o acréscimo de uma usina de 600MW para o sistema sul-sudeste brasileiro. Embora a interligação seja conhecida como ‘ligação norte-sul’ o circuito interliga o estado de Tocantins ao Distrito Federal. Em março de 2004 foi inaugurado o segundo circuito de interligação norte-sul II, com 1278 km de extensão, operando em 500 kV, passando pelas SE Imperatriz, no Maranhão, Colinas, Miracema e Gurupi, no Tocantins, Serra da Mesa em Goiás, e Samambaia em Brasília. Os circuitos em 500kV transmitem energia da UHE Luis Eduardo Magalhães – Lajeado, localizada no rio Tocantins, entre os municípios de Lajeado e Miracema do Tocantins com potência instalada de 902,5 MW. A UHE Lajeado é o maior empreendimento de geração realizado pela iniciativa privada no Brasil.

Expansão da linha de transmissão Interligação Norte-Sul (Centro-oeste-Sudeste) com tensão de

500 kV. Essa linha interliga as subestações de Samambaia (DF), Itumbiara (GO) e Emborcação (SP). A linha permitirá o escoamento, para a região Sudeste, da energia gerada pelas usinas de Lajeado (TO), Cana Brava (GO), e 2 etapa de Tucuruí (PA).

Sistema interligado sudeste – centro-oeste → concentra pelo menos 60% da demanda de

energia no Brasil. Sistema sul – sudeste → com energia transferida da usina de Itaipu (2 circuitos em CC em

600kV ligando a usina a São Roque (SP), 2 circuito 765kV ligando a usina a Tijuco Preto). Sistema nordeste → hoje a região Nordeste importa energia elétrica das hidrelétricas de

Lajeado, em Tocantins, Cana Brava, em Goiás, e Tucuruí I e II, no Pará.


41

Nº

Empresa Consumo em GWh

1º Eletropaulo 32.548 2º Cemig 20.693 3º CPFL 18.866 4º Copel 18.523 5º Light 18.235 6º Celesc 13.829 7º Coelba 11.403 8º Elektro 10.055 9º Celpe 8.171

10º Piratininga 8.015

Grande parte da região norte e uma parcela reduzida da região centro-oeste, além de algumas pequenas localidades esparsas pelo território brasileiro, ainda não f azem parte do sistema interligado, sendo o suprimento de energia elétrica efetuada, quando existente, por meio de pequenos sistemas elétricos isolados. Nesses casos, a produção de eletricidade é normalmente efetuada por meio de unidades geradoras de pequeno porte, utilizando freqüentemente motores Diesel como equipamento motriz. A existência desses sistemas isolados, em algumas situações, como é o caso dos sistemas das cidades de Manaus, Boa Vista (Roraima) e Porto Velho (Rondônia), assumem proporções de relativa significância, com demandas superiores a 100MW, em grande parte responsável pela predominância da geração termelétrica a diesel. Para atender às políticas externa e energética, o Brasil está interligado aos países vizinhos como Venezuela (para fornecimento a Manaus e Boa Vista), Argentina, Uruguai, e Paraguai. 1.6.4 Sistemas de Distribuição no Brasil Os sistemas de distribuição de energia elétrica no Brasil incluem todas as redes e linhas de distribuição de energia elétrica em tensão inferior a 230 kV, seja em baixa tensão (BT), média tensão (MT) ou alta tensão (AT).

Alta tensão (AT): Tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou superior a 69 kV e inferior a 230 kV, ou instalações em tensão igual ou superior a 230 kV quando especificamente definidas pela ANEEL.

Média tensão (MT): Tensão entre fases cujo valor eficaz é superior a 1 kV e inferior a 69 kV.

Baixa tensão (BT): Tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou inferior a 1 kV.

Tabela 1.6 Dez Maiores agentes de distribuição do país (por consumo) Fonte ABRADEE Dez/2007 1.7 Características dos Sistemas Elétricos de Potência Os Sistemas Elétricos de Potência apresentam as seguintes características:

Normalmente são trifásicos; Apresentam um grande número de componentes; Possuem transformadores que particionam o sistema em seções de diferentes níveis de tensão.

1.8 Tendências para o Mercado de Energia Elétrica O desenvolvimento atual do modelo internacional de mercado de energia elétrica tem sido baseado em luxo unidirecional de energia e, possivelmente, por razões tecnológicas, em alguns casos, e razões econômicas, em muitos outros, o mercado está baseado em tarifas fixas e limitações de informações em tempo real sobre gerenciamento de carga. O mercado de transmissão e distribuição de energia elétrica está caracterizado por monopólios naturais dentro de áreas geográficas. A ausência de


42

competição faz com que as tarifas sejam controladas por agentes reguladores. A nova tendência internacional é de liberalização do mercado de energia elétrica com o estabelecimento de comércio de energia on-line e de consumidores com o direito de escolher seu supridor de energia elétrica. Atualmente a maioria dos usuários da rede de energia elétrica são receptores passivos sem nenhuma participação no gerenciamento da operação da rede. Cada consumidor é simplesmente um absorvedor de eletricidade. As redes de energia elétrica deverão em um futuro não longínquo permitir que seus usuários exerçam um papel ativo na cadeia de suprimento de energia elétrica. Com a consolidação da geração distribuída em um mercado liberalizado de energia elétrica, um novo modelo de geração deverá surgir em que coexistirão geração centralizada e geração descentralizada. Um grande número de pequenos e médios produtores de energia elétrica com tecnologia baseada em fontes renováveis de energia deverá ser integrado à rede elétrica. Milhares de usuários terão geração própria tornando-se ambos, produtores e consumidores de energia elétrica. O mercado de energia elétrica deverá fazer uso pleno de ambos, grandes produtores centralizados e pequenos produtores distribuídos. Pequenos produtores quando operando interligados à rede de distribuição em baixa tensão dão origem a um novo tipo de sistema de potência denominado de Microredes. As microredes podem operar em modo autônomo ou como parte da rede principal de energia elétrica. Quando várias fontes são conectadas entre si e operam de forma conjunta e coordenada dá origem ao que se denomina de plantas de geração virtual.

Fig.1.38: Micro rede.

As Plantas Virtuais de Geração são operadas coletivamente por uma entidade de controle centralizado, pois assumem a grandeza de uma planta convencional podendo operar no mercado de energia elétrica.

apostila de instalações elétricas parte1

Documents