distribuicao de energia eletrica_1818

7/29/2019 Distribuicao de Energia Eletrica_1818

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www.ceee.com.br - Eletricidade para Estudantes - Teoria

Distribuio de energia eltrica(Modelo Escolar)

Prof. Luiz Ferraz [email protected]

Objetivo

Com esse projeto pretendemos dar ao aluno uma viso geral sobre a distribuio da

energia eltrica, desde a fonte geradora, o transporte at a sub-estao e dessa at a

bancada do laboratrio da escola.

Complementamos o projeto com experimentos simples que podem ser feitos para simular

uma rede eltrica real (sem perigos de 'choques'!) e desenvolver, paralelamente, outra srie

de experimentos, trabalhando com altas e baixas tenses.

Introduo

O Sol aquece as guas, acelerando a evaporao ... o vapor d'gua sobe e se condensa

formando as nuvens. Temos gua estocada l em cima!

Esse o motor primrio de toda uma posterior cadeia tecnolgica que lhe permite, porexemplo, ler na sua tela, isso que estou escrevendo. No pense que foi fcil chegar a essa

explicao, plenamente satisfatria, dada nas poucas palavras acima.

Para tanto, foi necessrio estabelecerum modelo para o funcionamento do Sol (o qual, com

justia, merece uma apresentao em Feira de Cincias), um modelo para descrever a

transferncia de energia dele (o Sol) at ns (e disso pode resultar um excelente trabalho

sobre as partculas e as ondas eletromagnticas), um modelo para o aquecimento,

evaporao e condensao da gua (motivo de atraente trabalho prtico sobre essa grandeconquista da termodinmica), um modelo para a ascenso do vapor e um modelo para as

nuvens (j pensou em apresentar um trabalho sobre as nuvens?).

Nota: Antes desses modelos, que so os grandes sucessos da Cincia, tais explicaes

recaiam sobre os ombros das mais variadas divindades, cada uma, conforme a cultura de

Pg. 1Material oriundo do sitewww.feiradeciencias.com.br. Reproduo autorizada pelo autor.

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cada povo, explicava tudo, at mesmo a origem dos homens. Hoje, centenas dessas

divindades ainda sub-existem como desejos ntimos de muitos, e tais seguidores,

inexplicavelmente, buscam avidamente 'provas cientficas', ou seja, prova dentro de tais

modelos, para seus deuses e mitos. Se tais deuses 'criaram' os homens e tais homens

inventaram os modelos cientficos, como pode tais modelos justificarem tais deuses?

Os cientistas tm muitas lutas, com conquistas ("verdadeiro") e derrotas ("falso") pela frente,

em busca do 'melhor' modelo para explicar e justificar os fatos da Natureza, tudo dentro de

uma 'metodologia' que segue a lgica e o racional. Recomendamos, portanto, uma boa

leitura sobre a Metodologia Cientfica.

Agora, j temos gua estocada 'l em cima', nas nuvens, armazenando enorme quantidade

de energia potencial gravitacional (outro belo modelo da cincia, o da gravitao. Por queser que destaquei o 'l em cima'? Ser que em alguma situao poderia ter dito 'l em

baixo'?).

A gerao da energia eltrica

Chove (voc conhece o modelo da formao da chuva? Ento responda: "por que a chuva

formada por gotas e no o , como uma enorme cachoeira, constituda por uma nica

torrente?"). A gua que cai no continente, em parte, penetra no solo e, outra parte, escorre

para os rios. E, os rios, por estarem em nveis acima do nvel do mar, fazem o que fazem,

escoam para o mar.

O homem constri barragens que bloqueiam o escoamento das guas para o mar. As

guas 'barradas' (represadas) apresentam vasta quantidade de energia potencial

gravitacional; exatamente aquela que as levariam, aos trancos e barrancos pelos sulcos na

superfcie da crosta terrestre, at o mar (e, por vezes, at sobra um pouquinho para

empurrar um pouco as prprias guas do mar). Recomenda-se leitura que trate dos efeitos

das barragens no meio ambiente.

Estamos quase chegando l no gerador da Usina Hidreltrica. Entretanto, se

comessemos por ele, muita coisa ficaria escondida na provvel 'justificao', "as guas

da barragem armazenam energia potencial", como sempre se l nos compndios. Se voc

Pg. 2Material oriundo do site www.feiradeciencias.com.br. Reproduo autorizada pelo autor.



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se contenta com os textos dos compndios, est dispensado de ler as explicaes acima!

(...) Comece daqui (...).

Na barragem h uma tubulao que permite, sob controle, a vazo da gua da represa. Ao

entrar nessa tubulao a gua converte boa parte de sua energia potencial em energiacintica e faz girar uma turbina. Aps passar pela turbina (e forar sua rotao) a gua

ainda apresenta energia potencial suficiente para seguir, nvel abaixo, o antigo leito do rio.

O eixo dessa turbina est acoplado ao eixo de um gerador eltrico. produzida a energia

eltrica.

Numa usina hidreltrica, como as da CEEE por exemplo, no existe uma nica tubulao

(uma nica turbina) e sim vrias.

Esse gerador de energia eltrica, movido pela turbina, gira a 120 r.pm. (rotaes por

minuto) e, por motivos tcnico-econmicos, por maiores que sejam, so projetados para

gerar tenses de at no mximo 25 kV. A potncia desses geradores, ou seja, quanto de

energia eltrica eles produzem por unidade de tempo, enorme, de centenas de MW

(milhes de watts).

Outro fato que merece destaque que as usinas hidroeltricas so construdas longe dos

grandes centros consumidores, o que implica em transmitir a energia eltrica a longasdistncias.

E, que h de to importante nisso? No suficiente esticar os fios desde o gerador at os

centros consumidores?

No, no bem assim. H toda uma tecnologia eltrica para trazer essa energia de l at

c. Para ilustrar isso, vamos partir de um problema real, usando um gerador de 13,8 kV,

sob potncia de apenas 50 MW com os seguintes dados:

Pretendemos transmitir uma potncia de 50 MW com fator de potncia de 0,85, por meio de

uma linha de transmisso trifsica com condutores de alumnio, desde a usina hidroeltrica,

cuja tenso nominal do gerador 13,8 kV, at o centro consumidor situado a 100 km.




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Admitindo-se uma perda por efeito Joule de 2,5 % na linha, determine o dimetro do cabo

nos seguintes casos:

a) usando linha de transmisso direta sob os 13,8 kV (essa a idia de quem acha que

suficiente 'esticar' os fios diretamente do gerador at o centro consumidor).

b) usando linha de transmisso sob 138 kV (linha trifsica de alta tenso).

No vamos aqui colocar todos os clculos de engenharia eltrica e sim, apenas, colocar os

resultados que interessam. Como resultados, vamos apenas mostrar na figura a seguir, em

escala real (verdadeira grandeza), os dimetros dos cabos calculados:




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O cabo para conduzir a energia em questo sob tenso de 13,8 kV dever ter dimetro de

13 cm e aquele para o mesmo propsito, mas sob tenso de 138 kV dever ter dimetro de

1,3 cm. Isso deixa claro o porque das linhas de transmisso da usina at os centrosconsumidores 'funcionarem' sob altas tenses.

Para atingir esse propsito, ora elevar, ora baixar as tenses eltricas, entram em cena os

transformadores.




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Entre o gerador da usina hidreltrica e o inicio da linha de transmisso coloca-se um

transformador elevador de tenso (a distncia que os separa da ordem dos 500 m) e no

final da linha de transmisso, onde est a sub-estao, coloca-se um transformador

abaixador de tenso. As tenses realmente utilizadas nos sistemas de gerao e

transmisso variam muito. Entre elas, por serem relativamente comuns, destacamos aquela

em que o gerador fornece 13,8 kV, o transformador elevador de tenso eleva-a para 138 kV

e o transformador abaixador de tenso, na sub-estao (geralmente nos arredores do

centro consumidor) abaixa-a para 13,8 kV ou 11,95 kV etc. Eis uma ilustrao disso:

Na sub-estao, como vimos, h um transformador abaixador de tenso. Ela converte os

138 kV da linha de transmisso para os 13,8 kV (ou outro valor prximo disso) e os entrega

para a rede secundria (aquele fios mais elevados que voc v passando pelos postes de

sua rua). Algo assim:

As sub-estaes de distribuio, em geral, fornecem tenses alternadas num sistema

trifsico de trs fios. Nesse sistema, os potenciais eltricos esto defasados de 120o e tm

mesma amplitude, em geral, proveniente de ligaes estrela (ou deita) dos enrolamentos




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dos transformadores. Abaixo ilustramos uma sub-estao com distribuio trifsica, de trs

fios, com potenciais nominais de 13 800 V.

Observe que, nesse sistema de distribuio, a d.d.p entre dois quaisquer fios de 13,8 kV e

no 27,6 kV (como algum poderia esperar!), devido s particulares fases (120o).

Esse sistema de distribuio (trifsica, trs fios) quem alimenta o transformador dedistribuio, nos postes de sua rua. Abaixo ilustramos parte da rede primria (13,8 kV) e

uma parte da rede secundria.

No secundrio do transformador de sua rua (transformador abaixador de tenso) as duas

bobinas do enrolamento esto ligadas em srie e em concordncia. Por isso, em relao ao

ponto mdio do enrolamento (fio (b), os outros dois estaro defasados, em tenso, de 180 o.




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Veja os grficos de potenciais eltricos, desses fios, em relao ao tempo, com o potencial

do fio (b) tomado como referncia.

Subtraia, ponto a ponto, as ordenadas, nos grficos (a) e (b) (Va - Vb) e voc ter a tenso

eltrica (ddp) entre os fios (a) e (b), em cada instante. Faa o mesmo nos grficos (b) e (c) e

nos grficos (a) e (c). Eis os resultados dessas subtraes:

Nota: Nesse estudo, no houve qualquer preocupao respeito da amplitude da tenso

alternada (110 V, 127 V etc), pico, eficaz, rms, nominal etc., pois no do escopo do

trabalho.

Dentro de sua casa

A distribuio domiciliarde energia eltrica, sob tenses alternadas, como vimos, faz-se, no

caso mais geral, atravs do Sistema Edson de trs fios. Nesse sistema, a um dos fios

associa-se potencial eltrico de referncia, zero volt (fio 'neutro'). Em relao a esse fio

'neutro' (0 V), os outros dois fios tm potenciais eltricos alternados, de mesma amplitudes

e defasadas de 180o. Da deriva a nomenclatura, distribuio de duas fases e trs fios.

Desse modo, se (a), (b) e (c) so os trs fios em questes, que chegam em sua casa, com




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(b) tomado como referncia de potencial eltrico e os outros dois com potenciais eltricos

nominais de 110V, tem-se:

A diferena de potencial (ou tenso eltrica) entre pontos dos fios (a) e (b) Va - Vb= 110 V,

entre pontos de (b) e (c) Vb - Vc = 110 V e entre pontos de (a) e (c) Va - Vc = 220 V.

Essas d.d.p(s), assim como suas defasagens, podem ser facilmente observadas mediante ouso de um osciloscpio de trao duplo e uso de resistor limitador (R):

Parte experimental

Aqui comea o projeto para apresentao em Feiras de Cincias como mostrar tudo isso

aos espectadores e aos colegas, avanando em sua prpria educao.

Projeto 1 - Simulando a rede secundria

Material geral

Modelos miniaturas de postes,

transformador de 'eliminador de pilhas' (ou equivalente),

2 pilhas grandes para lanterna,




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soquetes e lmpadas para 1,5V e 3,0V,

fios comuns (flexveis, encapados).

Voc deve iniciar esse projeto, mostrando ao pblico, mediante um bonito cartaz, o esboo

de uma distribuio da energia eltrica, desde a SUB-ESTAO, at o local da Feira,

destacando a tomada de energia eltrica de seu box (ou da bancada do laboratrio de sua

escola).

Esse esboo deve ser algo parecido com o da ilustrao abaixo ou mais simples:

Nesse (ou em outro) cartaz, voc pode acrescentar mais detalhes respeito das tenses

eltricas em jogo, seus valores e suas defasagens.

Em Feiras de Cincias, no recomendvel colocar ao alcance do pblico, sistemas

eltricos ligados diretamente rede domiciliar (tomada), sem as devidas normas de

segurana. Desse modo, desaconselhvel mostrar circuitos srie, paralelo, campainhas

abertas etc., que trabalhem direto com os 110/220V da rede. Uma criana poder facilmente

enfiar o dedo em um soquete!

Vamos, por isso, baixar novamente a tenso eltrica para os diversos experimentos de

bancada, em Feiras de Cincias. Basta, para isso, ligar um pequeno transformador comprimrio para 110 V e secundrios para 6V. Mostramos a seguir as ligaes desse pequeno

transformador e sugesto para adapt-lo em poste para simular o poste na rua defronte

escola:




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Desse modo, voc ter para uso, um novo sistema Edson, bifsico, de 3 fios, porm de

tenso eltrica bem baixa (6V), sem qualquer perigos no manuseio. Eis o esquema geral at

ento:

bom que seu transformador tenha enrolamento secundrio para uns 5 A, desse modo, 5 A

sob 6 V, d uma boa potncia de 30 W.

Que fazer com essa sua linha particular de distribuio (6 V, 0 V, 6 V), 5 A? Bem, h uma

infinidade de experimentos que a cabem!

Voc poder fazer experimentos usando diretamente essa tenso eltrica (6 V);

experimentos com baixa tenso (e alta corrente) e experimentos com alta tenso (e baixa

corrente).




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De incio, vejamos um experimento com baixa tenso e alta corrente. Para tanto, desmonte

um transformador de primrio qualquer (110 ou 220 V) e secundrio para 6 V. Desenrole

todo o fio fino relativo bobina primria. Se ela estiver por cima do enrolamento de baixa

tenso, o que no o normal, pode parar por a pois o enrolamento de 6 V o que

usaremos.

No lugar do enrolamento primrio faa um novo enrolamento, com 5 espiras de fio de cobre

esmaltado no 10. Se o enrolamento primrio do transformador que est desmontando,

estiver por baixo do enrolamento de 6 V (fio grosso, poucas espiras), voc ter que

desmanchar, tambm, esse enrolamento para depois refaz-lo. Isso no muito difcil, pois

so poucas espiras.

Qualquer que seja o caso exposto acima, o transformador remontado deve terminar assim:

primrio para 6 V, 5 A e secundrio de 5 espiras de fio esmaltado n o 10.

Aos terminais do secundrio (5 espiras) do seu transformador modificado, ligue uns 5 cm de

fio de ferro fino (pode ser um prego) e veja-o ficar incandescente e aps isso derreter! Esse o experimento usando baixa tenso (frao do volt) e alta corrente.

Vejamos, a seguir, um experimento para alta tenso e baixa corrente, onde usamos uma

bobina de ignio automotiva para 6 ou 12V. Siga as ilustraes:




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Abaixo ilustramos o circuito completo, em sua bancada de trabalho, com o transformador

abaixador de tenso de 110 V para ( 6, 0, 6) V, o experimento com baixa tenso e alta

corrente e o experimento com alta tenso e baixa corrente:

Projeto 2 - Simulando a rede secundria (ensino bsico)

Para alunos do ensino bsico (5a/8a), recomenda-se a simulao do sistema Edson, de 3

fios, usando-se de pilhas, em substituio aos transformadores.

Uma pilha A, de 1,5V, simular uma das bobinas secundrias do transformador da rua, com

terminais (a) (+) e (b) (-). Outra pilha B, de 1,5V, simular a outra bobina secundria, em

srie com a primeira, com terminais (b) (+) e (c) (-).




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Simulao do transformador da rua, usando pilhas

Na prtica, teremos o seguinte visual:

Este poste, com as pilhas A e B ligadas em srie, simulam o secundrio do transformador da

rua. Apenas a tenso eltrica disponvel menor (1,5 V e 3,0 V, em lugar de 110 V e 220 V)

e o tipo de tenso (contnua, em lugar de alternada).

Recomenda-se, por apresentar mais energia qumica disponvel, o uso de pilhas para

telefone (em lugar das pilhas comuns para lanternas, rdios etc). No caso das pilhas de

telefone no necessrio o uso de soldas, pois essas pilhas tm terminais com rosca, em

sua parte superior.




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Para utilizar (e completar) essa simulao, adquira trs soquetes para lmpadas miniaturas,

duas lampadinhas para 1,5 V e uma lampadinha para 3,0V. Faa a montagem

esquematizada abaixo:

O circuito apresentado, com as trs lmpadas, simula uma ligao domiciliar. A Iampadinha

(1) representa a lmpada da sala (110 V), a Iampadinha (2) representa a lmpada do quarto

(110 V) e a (3) representa o chuveiro (220 V).

Mostre ao espectador que, desligando a lmpada da sala (desenrosque a lampadinha (1)), a

lmpada do quarto e o chuveiro no so afetado. (no ficam nem mais forte, nem mais

fraca). Mostre como cada um funciona independente dos outros!

Nota: Troque as pilhas, quando desligando uma, as outras acendem com maior brilho. Isso

indica que a resistncia interna da pilha atingiu valores muito elevado, coisa que no

acontece com a instalao original, com o transformador.

Seu professor de Cincias poder lhe auxiliar nas montagens e sugerir novos arranjos e

experimentos nessa simulao.




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