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UNIVERSIDADE FEDERAL DE RONDÔNIA- UNIR
NÚCLEO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
AIRTON RODRIGUES DE LIMA JUNIOR
JOSÉ CARLOS DE MEDEIROS
CENTRAIS HIDRELÉTRICAS
PORTO VELHO/RO
2013
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AIRTON RODRIGUES DE LIMA JUNIOR
JOSÉ CARLOS DE MEDEIROS
CENTRAIS HIDRELÉTRICAS
Professor: Dr. Eng.º José Ezequiel Ramos
PORTO VELHO/RO
2013
Trabalho de pesquisa proposto pelo professor José Ezequiel Ramos, ministrante da cadeira de Geração Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica, do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Rondônia.
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO 3
2. DISJUNTORES 4
3. DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO 4
4. PRINCIPAIS FUNÇÕES DE UM DISJUNTOR 7
5. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS DISJUNTORES 7
6. ARCO ELÉTRICO NOS DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO 9
7. DIMENSIONAMENTO DE UM DISJUNTOR 11
8. CONTROLE E ACIONAMENTO DE DISJUNTORES13
8.1. Acionamento por solenoide 14
8.2. Acionamento por mola 15
8.3. Acionamento hidráulico 15
8.4. Acionamento a ar comprimido 16
9. CARACTERSTICAS CONSTRUTIVAS DE UM DISJUNTOR 16
9.1. Disjuntor a óleo 17
9.1.1. Disjuntor a grande volume de óleo - GVO 18
9.1.2. Disjuntor a pequeno volume de óleo - PVO 21
9.2. Disjunto a ar comprimido 24
9.3. Disjuntor a sopro magnético 29
9.4. Disjuntor a vácuo 30
9.5. Disjuntor SF₆ 34
9.5.1. Disjuntor SF ₆ a dupla pressão 37
9.5.2. Disjuntor SF ₆ a pressão única 38
9.5.3. Disjuntor SF ₆ de dois ciclos 39
9.5.4. Disjuntor SF ₆ selfblast 40
CONCLUSÃO 42
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 43
4
1. INTRODUÇÃO
No mundo todo, as usinas hidrelétricas produzem 19% da eletricidade
consumida, dados estes obtidos em 2005, desde lá este número vem crescendo. As
usinas hidrelétricas produzem aproximadamente um total de 930.000 MW
(megawatts), energia equivalente a cerca de 5 bilhões de barris de petróleo. Existe
mais de mil usinas hidrelétricas em funcionamento no Brasil, tornando-se a
hidroeletricidade a maior fonte de energia renovável do país.
O Brasil está entre os 10 maiores produtores de energia hidrelétrica no
mundo, segunda a ANEEL (Agencia Nacional de Energia Elétrica). Atualmente
operam no país 1.091 usinas hidrelétricas, que produzem um total aproximado de
aproximadamente 85.666.916 kW (dezembro/2013), sendo responsável por 63,86%
da energia produzida no país.
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2. A FORÇA DAS ÁGUAS
Olhando um rio passar, é difícil imaginar a quantidade de energia que ele
contém. As usinas hidrelétricas utilizam essa energia da água, convertendo-a em
eletricidade através de um mecanismo elementar. Na verdade, as usinas
hidrelétricas são baseadas em um conceito simples: a água correndo por uma
barreira gira algumas turbinas, que giram o gerador. Porém na prática não é tão
simples assim.
A água é o recurso natural mais abundante na Terra: com um volume
estimado de 1,36 bilhão de quilômetros cúbicos (km³) recobre 2/3 da superfície do
planeta sob a forma de oceanos, calotas polares, rios e lagos. Além disso, pode ser
encontrada em aquíferos subterrâneos, como o Guarani, no Sudeste brasileiro. A
água também é uma das poucas fontes para produção de energia que não contribui
para o aquecimento global – o principal problema ambiental da atualidade. E, ainda,
é renovável: pelos efeitos da energia solar e da força da gravidade, de líquido
transforma-se em vapor que se condensa em nuvens, que retornam à superfície
terrestre sob a forma de chuva.
Mesmo assim, a participação da água na matriz energética mundial é pouco
expressiva e, na matriz da energia elétrica, decrescente. Segundo o último relatório
Key World Energy Statistics, da International Energy Agency (IEA), publicado em
2008, entre 1973 e 2006 a participação da força das águas na produção total de
energia passou de 2,2% para apenas 1,8%. No mesmo período a posição na matriz
da energia elétrica sofreu recuo acentuado: de 21% para 16%, inferior à do carvão e
à do gás natural, ambos combustíveis fósseis não-renováveis, cuja combustão é
caracterizada pela liberação de gases na atmosfera e sujeitos a um possível
esgotamento das reservas no médio e longo prazos. Vários elementos explicam
esse aparente paradoxo. Um deles relaciona-se às características de distribuição da
água na superfície terrestre. Do volume total, a quase totalidade está nos oceanos e,
embora pesquisas estejam sendo realizadas, a força das marés não é utilizada em
escala comercial para a produção de energia elétrica. Da água doce restante,
apenas aquela que flui por aproveitamentos com acentuados desníveis e/ou grande
vazão pode ser utilizada nas usinas hidrelétricas – características necessárias para
a produção da energia mecânica que movimenta as turbinas das usinas. Além disso,
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embora desde a Antiguidade a energia hidráulica tenha sido usada para gerar
energia mecânica – nas instalações de moagem de grãos, por exemplo – no século
XX passou a ser aplicada, quase integralmente, como matéria-prima da eletricidade.
Assim, a participação na produção total da energia final, que também inclui a energia
mecânica e térmica, fica comprometida. Já a redução da participação na matriz da
energia elétrica tem a ver com o esgotamento das reservas. Nos últimos 30 anos,
também de acordo com levantamentos da IEA, a oferta de energia hidrelétrica
aumentou em apenas dois locais do mundo: Ásia, em particular na China, e América
Latina, em função do Brasil, país em que a hidroeletricidade responde pela maior
parte da produção da energia elétrica. Nesse mesmo período, os países
desenvolvidos já haviam explorado todos os seus potenciais, o que fez com que o
volume produzido registrasse evolução inferior ao de outras fontes, como gás natural
e as usinas nucleares. De acordo com o estudo sobre hidroeletricidade do Plano
Nacional de Energia 2030, elaborado pela EPE, são notáveis as taxas de
aproveitamento da França, Alemanha, Japão, Noruega, Estados Unidos e Suécia,
em contraste com as baixas taxas observadas em países da África, Ásia e América
do Sul. No Brasil o aproveitamento do potencial hidráulico é da ordem de 30%.
Mesmo nessas últimas regiões, a expansão não ocorreu na velocidade prevista.
Entre outros fatores, o andamento de alguns empreendimentos foi afetado pela
pressão de caráter ambiental contra as usinas hidrelétricas de grande porte. O
principal argumento contrário à construção das hidrelétricas é o impacto provocado
sobre o modo de vida da população, flora e fauna locais, pela formação de grandes
lagos ou reservatórios, aumento do nível dos rios ou alterações em seu curso após o
represamento. No Brasil, as usinas de Jirau e Santo Antônio, no rio Madeira (região
Norte), são pilares da expansão da oferta de energia elétrica prevista para o período
2006-2015. No entanto, dificuldades na obtenção do licenciamento ambiental e
mudança no eixo da barragem provocaram o atraso na construção de Jirau
3. HISTÓRIA DA HIDRELETRICIDADE
As pessoas têm tirado proveito da energia da água em movimento há séculos.
Os gregos e romanos da antiguidade usavam a roda-d’água, que opera sob o
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mesmo princípio que a turbina, para girar maquinários. A roda-d’água também era
conhecida na China antiga. Na Europa, a partir da era medieval, a água em
movimento impulsionava rodas d’água que moíam milho ou trigo, transformando-os
em farinha. Moinhos de água alimentavam fábricas têxteis na Inglaterra e Nova
Inglaterra no início do século XVII. O desenvolvimento de uma turbina movida a
vapor tornou a energia da água ainda mais eficiente.
Usinas elétricas e hidrelétricas surgiram mais ou menos na mesma época, no
fim do século XIX. Em 1878, Cragside, a residência do inventor britânico Lord
Armstrong em Northumberland, tornou-se a primeira casa alimentada por uma usina
hidrelétrica. Dois anos depois, a cidade de Grand Rapids, no Michigan, conectou
uma turbina de água a um dínamo Brush, um tipo antigo de gerador elétrico
desenvolvido por Charles F. Brush. Essa combinação criou energia suficiente para
iluminar teatros e fachadas de lojas. Em 1881, outro dínamo Brush conectado a uma
turbina em um moinho de farinha forneceu iluminação de rua em Niagara Falls, Nova
York.
A primeira usina de energia hidrelétrica foi aberta em Appleton, Wisconsin, em
1882, no Rio Fox. O proprietário de um moinho de papel local ligou uma turbina
movida a água a um gerador. A primeira usina produziu apenas 12,5 kW de
eletricidade, o suficiente para alimentar dois moinhos de papel e a casa do
proprietário do moinho. Em 1886, uma usina maior, com energia suficiente para
alimentar o sistema de bondes elétricos de Appleton, substituiu a usina original.
A energia hidrelétrica cresceu rapidamente depois disso. Em 1886, havia 45
usinas hidrelétricas nos Estados Unidos. Em 1889, 200 usinas estavam gerando
eletricidade usando água para produzir parte ou toda a energia.
Ao mesmo tempo, usinas hidrelétricas foram abertas em todo o mundo. A
Itália construiu sua primeira usina hidrelétrica em 1885 em Tivoli, nas montanhas na
região de Roma. A usina inicialmente alimentava as luzes de uma cidade próxima.
Mas, em 1892, uma segunda usina no mesmo local fornecia energia para Roma, a
primeira transmissão a longa distância na Itália.
Outros países com boas condições para a geração de energia hidrelétrica logo
construíram suas usinas. Canadá, França, Japão e Rússia estiveram entre os
primeiros. No período de 1900 a 1950, o uso de energia hidrelétrica aumentou
rapidamente.
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Quando as primeiras usinas de energia hidrelétrica foram abertas, toda a
eletricidade era enviada na forma de corrente direta. Isso limitava a distância na qual
a eletricidade podia ser transmitida. Em função disso, essas usinas forneciam
energia para um raio de cerca de 2,6 quilômetros quadrados da represa. A energia
de várias usinas separadas seria combinada para servir a cidades maiores. Cidades
menores que tiveram a felicidade de poder construir uma usina hidrelétrica tinham
seus próprios sistemas elétricos. Com o desenvolvimento da corrente alternada, no
fim da década de 1880, a eletricidade conseguia percorrer distâncias maiores. Os
sistemas separados que serviam cidades maiores se transformaram em um sistema
maior. Usinas em localidades remotas — por exemplo, a Represa de Hoover, no
sudoeste dos Estados Unidos (construída em 1936) — forneciam energia para
cidades distantes. Turbinas hidráulicas melhores contribuíram para esse avanço.
Contudo, após a década de 1940, combustíveis fósseis mais baratos se tornaram a
principal fonte para a geração de eletricidade. A energia hidrelétrica continuou a
fornecer parte da eletricidade do mundo, mas o uso de petróleo, gás natural e
carvão ultrapassava a energia hídrica.
Nos dias atuais, avanços tecnológicos nas usinas e na transmissão de
energia tornaram viável a construção de usinas hidrelétricas em localidades
remotas, longe dos locais onde a energia será usada. A Represa de Itaipu, no Rio
Paraná, entre Paraguai e Brasil, é capaz de produzir até 12.600 megawatts de
energia. Essa usina, inaugurada em 1982, fornece praticamente toda a eletricidade
do Paraguai e um quarto da energia necessária ao Brasil. A usina de energia
hidrelétrica Tasik Kenyir (Lago Kenyir) Sultan Mahmud, na Malásia, tem capacidade
de 400 megawatts de energia.
Um dos maiores projetos hidrelétricos do mundo é o de Três Gargantas, na
China, no Rio Yangtze. A represa, projetada para controlar as enchentes
devastantes do rio, inclui uma grande usina hidrelétrica. Com capacidade de 18.200
megawatts, Três Gargantas foi projetada para ser capaz de fornecer até um nono da
necessidade elétrica da China. A China também construiu várias usinas hidrelétricas
pequenas para uso local espalhadas pelo país.
3.1. Hidroeletricidade no Brasil
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No Brasil, o uso da hidroeletricidade iniciou-se em 1883, quando entrou em
operação a usina hidrelétrica de Ribeirão do Inferno, em Diamantina-MG. Tratava-se
de uma usina de pequeno porte, destinada ao abastecimento exclusivo de uma
mineradora de diamantes. Após essa experiência bem sucedida, uma série de
hidrelétricas começaram a ser construídas no fim do século XIX e início do século
XX nas proximidades das regiões de maior concentração industrial e populacional.
Engenheiros brasileiros buscavam na Europa o que de mais moderno existia na
tecnologia energética. Desta maneira, as barragens que interromperam o curso dos
rios e formaram lagos para mover turbinas nas usinas marcaram época na história
da energia no Brasil, país que hoje desponta entre os primeiros do mundo no uso
dessa fonte de energia.
Seis anos depois da inauguração de Ribeirão do Inferno, a hidroeletricidade
passou a ser um serviço público, iluminando cidades na região de Juiz de Fora –
MG, a partir da usina Marmelos-Zero, construída em 1889 no rio Paraíba. Com o
passar do tempo, no entanto, a usina se tornou obsoleta e a geração de energia
naquelas instalações deixou de ser economicamente viável. Restaurado, o prédio da
velha hidrelétrica encontrou uma nova vocação, abrigando hoje um mudei e um
centro cultural que contam a história do início da geração hidrelétrica no Brasil e do
Industrial Bernardo Mascarenhas, que a construiu.
4. CENTRAIS HIDRELÉTRICAS
As configurações diversas que a natureza implanta na superfície terrestre
fazem com que não seja possível encontrarmos duas bacias hidrográficas ou
mesmos dois rios que possam ser considerados iguais, sendo possível encontrar
alguma diferença sob determinado ponto de vista, seja topográfico, geológico,
climático, hidrológico ou geoeconômico.
Desse fato, resulta ser a implantação de uma usina hidrelétrica sempre um
caso particular, que pode, na melhor das hipóteses, apresentar uma notável
similaridade com instalações já existentes.
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Dessa forma podemos definir uma usina hidrelétrica ou central hidrelétrica
como sendo um complexo arquitetônico, um conjunto de obras e de equipamentos,
que tem por finalidade transformar a energia de um rio em energia elétrica.
Dessa forma, a energia hidrelétrica é gerada pelo aproveitamento do fluxo das
águas em uma usina na qual obras civis – que envolvem tanto a construção quanto
o desvio do rio e a formação do reservatório – são tão ou mais importante que os
equipamentos instalados. Por isso, ao contrário do que ocorre com as usinas
termelétricas (cujas instalações são mais simples), para a construção de uma
hidrelétrica é imprescindível a contratação da chamara indústria da construção
pesada.
Como foi visto anteriormente a primeira hidrelétrica foi construída no século
XIX – quando o carvão era o principal combustível e as pesquisas sobre petróleo
ainda engatinhavam – junto às quedas d’água das Cataratas do Niágara. Até então,
a energia hidráulica na região tinha sido utilizada apenas para a produção de
energia mecânica. Na mesma época, e ainda no reinado de Dom Pedro I, o Brasil
construiu a primeira hidrelétrica no município de Diamantina – MG, com 0,5 MW
(megawatts) de potência e linha de transmissão de 2 Km.
Em pouco mais de 100 anos, a potência instalada nas unidades aumentou
significativamente – chegando a 14.000 MW, como é o caso da binacional Itaipu,
construída em parceria pro Brasil e Paraguai e hoje a segunda maior em operação
no mundo. Mas, o princípio básico de funcionamento para a produção e transmissão
da energia se mantém inalterado. O que evoluiu foram as tecnologias que permitem
a obtenção de maior eficiência e confiabilidade do sistema.
Dessa forma, o funcionamento de uma Central Hidrelétrica ocorre da seguinte
maneira. A água captada no lago (reservatório) formado pela barragem é conduzida
até a casa de força através de canais, túneis e/ou condutores metálicos. Após
passar pela turbina hidráulica, na casa de força, a água é restituída ao leito natural
do rio, através do canal de fuga.
Desse modo, a potência hidráulica é transformada em potência mecânica
quando a água passa pela turbina, fazendo com que este gire e no gerador – que
também gira acoplado mecanicamente à turbina – a potência mecânica é
transformada em potência elétrica.
11
A energia assim gerada é levada através de cabos ou barras condutoras dos
terminais do gerador até o transformador elevador, onde tem sua tensão (voltagem)
elevada para adequada condução, através de linhas de transmissão, até centros de
consumo. Daí, através de transformadores abaixadores, a energia tem sua tensão
levada a níveis adequados para utilização pelos consumidores.
No caminho entre a usina geradora de energia elétrica e as tomadas nas
casas dos consumidores, o Brasil perde cerca de 18% da eletricidade que produz.
Isso equivale à geração de uma usina de porte médio, como a de Ilha Solteira, no
noroeste do estado de São Paulo, com capacidade de 3.400 MW de potência.
O fluxograma abaixo representa o processo visto na figura 1.
4.1. Balanço Energético Mundial
Segundo dados EIA (Energy Information Admistration) A capacidade instalada
de geração elétrica no mundo em 2010, foi de 5.066,8 GW
14
Gráfico de Geração de Energia Elétrica no mundo - 10 maiores países em 2010
(%)
20.225 TWh
Fonte: U.S. Energy Information Administration (EIA); Elaboração: EPE
4.2. Balanço Energético Nacional
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3. COMPONENTES DAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS
Basicamente, uma usina hidrelétrica compõe-se das seguintes partes:
Barragem;
Sistema de captação e adução de água;
Casa de força;
Sistema de restituição de água ao leito natural do rio.
O diagrama abaixo ilustra todo o processo, desde a captação da água até sua
geração:
Figura 1. Diagrama da Usina Hidrelétrica de Belo Monte - PA
Fonte: http://usinabelomonte.wordpress.com/imagens/#jp-carousel-147
16
3.1. Centrais de Desvio
Podemos dizer que as centrais em desvio, com quedas médias e altas, são as que
apresentam o maior número de componentes, porém não são, em geral, as que,
para uma dada potência, apresentam o maior custo do kW instalado.
3.1. Barragem
A barragem é a estrutura de (concreto, enrocamento e terra) que serve para
represar a água e obter o desnível. Constituem obras transversais ao álveos dos
rios, bloqueando a passagem da água. Funcionalmente, destina-se a:
a. Represar as águas do rio para permitir sua capitação e desvio.
b. Elevar o nível das águas a fim de proporcionar um desnível adequado a
um aproveitamento hidroelétrico ou condições de navegabilidade ao rio,
garantindo profundidade adequada.
c. Proporcionar p represamento do rio para a formação de reservatórios
regularizadores de vazões para os diversos tipos de aproveitamento ou
para o amortecimento de ondas de enchentes.
3.1.1. Barragens a gravidade
São aquelas em que o equilíbrio estático da construção, sob a ação das
forças externas (empuxo hidrostático), realiza-se pelo próprio pelo da
estrutura, com auxílio eventual da componente vertical do empuxo que atua
sobre seus parâmetros.
3.2. Tomada D’àgua
Os tipos de tomada d’água mais usuais são:
Torre
Gravidade
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Integrado à casa de força.
Tomada d’água tipo torre, são geralmente empregadas em aproveitamentos
onde se utiliza o túnel ou galeria de desvio também para adução, a figura a
seguir mostra esse tipo de tomada d’àgua.
Tomadas d’água do tipo gravidade são integradas ou não à barragem e a
adução é feita para condutos forçados externos. Essas tomadas são
empregadas em aproveitamento equipados com turbinas tipo Pelton, Fracis
ou Kaplan com caixa espiral de aço. Veja figura.
Uma variação e o tipo gravidade aliviada normalmente apoiada em maciço
rochoso. Neste tipo de tomada d’agua, a adução e feita para tuneis, sejam
eles forcados ou não. O espaçamento entre as unidades e aumentado para
garantir a estabilidade da escavação subterrânea. Essas tomadas são
empregadas em aproveitamentos equipados com turbinas tipo Pelton, Francis
ou, mais raramente, Kaplan com caixa espiral de aço.
3.3. Vertedouro
3.4. Canal de Adução
3.5. Casa de Força
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Figura x. Central hidráulica em circuito aberto a céu aberto, Rio Paraná, Itaipu, Brasil
(P=12.600 MW)
1 – barragem 5 – turbina 9 – sistema de descarga
2 – grades 6 – alternador 10 – transformadores
3 – tomada d’água 7 – casa de máquinas 11 – sistema de transmissão
4 – conduto forçado 8 – pórtico-ponte
4. TIPOS DE CENTRAIS HIDRELÉTRICAS
Para a realização de um aproveitamento hidrelétrico, é necessária a
existência de uma vazão hidráulica (m³/s) e um desnível (m), que pressupõe a
existência de condições locais naturais adequadas.
Raramente, no entanto, vazões e desníveis se apresentam em condições
ideais (ou quase) para esse tipo de obra, o que exige um cuidadoso estudo e
planejamento de cada caso particular, visando sempre um menor custo de
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investimento por kW (quilowatts) instalado, que se reflete no menor custo de kWh
produzido, meta final de todos os aproveitamentos. Decorre daí a enorme variedade
de centrais hidrelétricas existentes, não havendo nunca centrais iguais.
A água para sua utilização, encontra-se nos mares, lagos e, principalmente,
nos rios. Estes apresentam vazões altamente variáveis no tempo e completamente
aleatória, com enormes diferenças entre seus valores mínimos, em épocas de seca,
e máximos por ocasião das épocas de chuvas. Essa uniformização desejável é
conseguida por meio de reservatórios que muitas vezes tem funções diversificadas.
Os desníveis necessários, por sua vez, podem ser naturais ou artificiais,
sendo estes obtidos pelas barragens, que podem proporcionar simultaneamente a
constituição de reservatórios regularizadores de vazões.
Há diversos critérios de se classificar as centrais hidroelétricas:
a. Quanto a sua potência (kW)
1. Microcentrais Hidrelétricas (μCH) P ≤ 100 kW - Resolução ANEEL nº 482
17/04/2012;
2. Central Geradora Hidrelétrica (CGH) 100 ≤ P ≤ 1.000 kW
3. Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH) 1.000 ≤ P ≤ 30.000 kW -
(Resolução ANEEL nº 652 09/12/2003);
4. Usinas Hidrelétricas (UHE) P ≥ 30.000 kW.
b. Quanto a sua queda (m)
1. Centrais de Baixíssima queda H < 10 m
2. Centrais de baixa queda 10 ≤ H < 50 m
3. Centrais de média queda 50 ≤ H < 250 m
4. Centrais de alta queda H > 250 m
c. Quanto a forma de captação de água
1. Centrais em desvio e em derivação
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2. Centrais em leito de rio ou represamento
d. Quanto a forma de utilizar as vazão naturais
1. Centrais a fio d’água.
2. Centrais com regularização:
- diária;
- semanal;
- anual;
- plurianual.
e. Quanto a sua função no sistema
1. Centrais de base;
2. Centrais flutuantes;
3. Centrais de ponta.
Esses critérios de classificação não são rígidos podendo variar de acordo com
autores ou empresas de fornecimento energético.
5. TIPOS DE TURBINAS HIDRELÉTRICAS
As turbinas hidráulicas dividem-se diversos tipos, sendo quatro tipos
principais: Pelton, Francis, Kaplan, Bulbo. Cada um destes tipos é adaptado para
funcionar em usinas com uma determinada faixa de altura de queda e vazão. As
21
vazões volumétricas podem ser igualmente grandes em qualquer uma delas mas a
potência será proporcional ao produto da queda (H) e da vazão volumétrica.
As turbinas hidráulicas podem são classificadas turbinas de ação e de reação.
As turbinas de ação têm a propriedade de transformar a energia cinética portada por
um fluido em energia mecânica. Já as turbinas de reação trabalham submersas e
aproveitam a energia cinética e de pressão do fluido para obter energia mecânica.
Em todos os tipos há alguns princípios de funcionamento comuns. A água
entra pela tomada de água à montante da usina hidrelétrica que está num nível mais
elevado e é levada através de um conduto forçado até a entrada da turbina. Então a
água passa por um sistema de palhetas guias móveis que controlam a vazão
volumétrica fornecida à turbina. Para se aumentar a potência as palhetas se abrem,
para diminuir a potência elas se fecham. Após passar por este mecanismo a água
chega ao rotor da turbina. Nas turbinas Pelton não há um sistema de palhetas
móveis e sim um bocal com uma agulha móvel, semelhante a uma válvula. O
controle da vazão é feito por este dispositivo.
Por transferência de quantidade de movimento parte da energia potencial dela
é transferida para o rotor na forma de torque e velocidade de rotação. Devido a isto
a água na saída da turbina estará a uma pressão bem menor do que a inicial. A
potência de uma turbina pode ser calculada pela seguinte expressão:
P= ρQHgη(1)
O índice η é a eficiência total da turbina. A eficiência é a fração da energia
total da fonte de energia primária (no caso a água) que é convertida em energia útil
(no caso potência de eixo). As principais causas da "perda" de energia nas turbinas
são:
Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade,
e esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada pela turbina.
Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e
calor perdido pelo aquecimento dos mancais.
22
Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 99%, que
varia conforme a vazão de água e a potência gerada.
5.1. Turbina Pelton
São adequadas para operar entre quedas de 350 m até 1100 m, sendo por
isto muito mais comuns em países montanhosos.
Este modelo de turbina opera com velocidades de rotação maiores que os
outros, e tem o rotor de característica bastante distinta. Os jatos de água ao se
chocarem com as "conchas" do rotor geram o impulso. Dependendo da potência que
se queira gerar podem ser acionados os 6 bocais simultaneamente, ou apenas
cinco, quatro, etc. O número normal de bocais varia de dois a seis, igualmente
espaçados angularmente para garantir um balanceamento dinâmico do rotor.
Um dos maiores problemas destas turbinas, devido à alta velocidade com que
a água se choca com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito abrasivo da areia
misturada com a água, comum em rios de montanhas. As turbinas pelton, devido a
possibilidade de acionamento independente nos diferentes bocais, tem uma curva
geral de eficiência plana, que lhe garante boa performance em diversas condições
de operação.
Figura. X Turbina Hidráulica tipo Bulbo.
23
Fonte: www.voith.com
5.2. Turbina Francis
A turbina Francis é um tipo de turbina hidráulica com fluxo radial de fora para
dentro, concebida por Jean-Victor Poncelet por volta de 1820 e aperfeiçoada
pelo engenheiro norte-americano James B. Francis em 1849.
Neste tipo de turbina, a água sob pressão entra por um duto circular de
secção decrescente, onde é desviada por um conjunto de pás estáticas para
um rotor central. A água atravessa a parede lateral do rotor, empurrando outro
conjunto de pás fixas no mesmo, e sai pela base do rotor com pressão
e velocidade muito reduzidas. A potência mecânica extraída da água é transmitida
pelo rotor a um eixo fixado na base oposta. As pás estáticas podem ser ajustáveis.
Turbinas Francis são as mais comuns em usinas hidrelétricas for sua flexibilidade e
eficiência O rotor geralmente tem entre 1 e 10 m de diâmetro. São usadas com
quedas de água de 10 até 650 m, a velocidades de 80 a 1000 rpm;
sua potências varia de menos de 10 a 750 MW. Uma turbina Francis bem projetada
pode extrair até 90% da energia potencial da água. Em geral, turbinas de tamanho
médio ou grande são instaladas com o eixo vertical.
A Usina hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina hidrelétrica de
Tucuruí, Usina Hidrelétrica de Furnas, Usina Hidrelétrica de Foz do Areia, AHE de
Salto Pilão e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis, com cerca de 100
m de queda de água.
24
5.3. Turbina Kaplan
São adequadas para operar entre quedas de 20 m até 50 m. A única
diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o rotor. Este se assemelha a um
propulsor de navio (similar a uma hélice) com duas a seis as pás móveis. Um
sistema de embolo e manivelas montado dentro do cubo do rotor, é responsável
pela variação do ângulo de inclinação das pás. O óleo é injetado por um sistema de
bombeamento localizado fora da turbina, e conduzido até o rotor por um conjunto de
tubulações rotativas que passam por dentro do eixo.
O acionamento das pás é acoplado ao das palhetas do distribuidor, de modo
que para uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado
valor de inclinação das pás do rotor.
As Kaplans também apresentam uma curva de rendimento "plana" garantindo
bom rendimento em uma ampla faixa de operação.
25
Figura. X Turbina Hidráulica tipo Bulbo.
Fonte: www.voith.com
5.4. Turbina Bulbo
Operam em quedas abaixo de 20 m. Foram inventadas inicialmente, na
década de 1960, na França para a usina maremotriz de La Rance e depois
desenvolvidas para outras finalidades. Possui a turbina similar a uma turbina Kaplan
horizontal, porem devido à baixa queda, o gerador hidráulico encontra-se em um
bulbo por onde a água flui ao seu redor antes de chegar as pás da Turbina.
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Figura. X Turbina Hidráulica tipo Bulbo.
Fonte: www.voith.com
6. CARACTERÍSTICAS GERAIS DE OPERAÇÃO
Conceitualmente, a operação de qualquer usina hidrelétrica deve ser realizada
obedecendo-se, rigorosamente, às regras operativas constantes dos manuais
elaborados especificamente para esse fim, com vistas a garantir o funcionamento
adequado e o desempenho satisfatório das diversas estruturas e equipamentos
existentes.
Além disso, deve ser feito o acompanhamento ambiental das condições do
reservatório, com vistas a renovação da Licença de Operação (LO) a cada 5 a 10
anos.
No que diz respeito às obras civis da usina, de uma maneira geral, deve-se
destacar a necessidade de que sejam respeitadas as regras de operação do
vertedouro, se o mesmo possuir comportas. Cabe registrar que, no caso específico
de uma PCH, uma vez que o reservatório é, normalmente, pequeno, e, portanto, a
fio d’água, o vertedouro, na grande maioria das vezes, não possui comportas.
No que diz respeito aos equipamentos, devem ser observadas as regras de
operação e de manutenção, com vistas às garantias, constantes dos manuais
fornecidos pelos fabricantes.
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Cabe registrar que, no Brasil, ainda não foi implantada, em grande escala, a
tecnologia de usinas “desassistidas”, totalmente automatizadas e operadas
remotamente. Essa tecnologia, largamente utilizada em outros países, vem sendo
incorporada gradativamente, porém, ainda de forma lenta e tímida. Quando for o
caso, o usuário deverá se valer de consultoria especializada.
No que diz respeito aos aspectos ambientais, registra-se que os reservatórios
em regiões onde o uso do solo é inadequado ou com pontos de poluição industrial,
mineração ou de agricultura com utilização intensiva de agrotóxicos, poderão sofrer
processo de eutrofização, com o consequente desenvolvimento de plantas aquáticas
(água pé).
Essas plantas, quando em grande quantidade, poderão trazer problemas para o
funcionamento da usina e prejudicar à qualidade da água, com reflexos indesejáveis
para os usuários da água do rio (população ribeirinha).
O monitoramento ambiental é fundamental para resguardar o empreendedor,
que normalmente é considerado o único responsável. O monitoramento deve
começar no início da obra e continuar durante a operação da usina, em pontos pré-
selecionados e com periodicidade definida, conforme definido no Projeto Básico
Ambiental.
7. MANUTENÇÃO DAS USINAS HIDRELÉTRICAS
A manutenção programada das obras e equipamentos de qualquer usina
hidrelétrica é fundamental, com vistas a garantir, além do desempenho, a segurança
do empreendimento.
Os serviços de inspeção e manutenção são realizados, periodicamente,
segundo “check-lists” padronizados. A periodicidade varia, para cada obra e
equipamento da usina, em função da idade da usina e de critérios e normas
específicos, que variam em função da cultura de cada proprietário.
Apresentam-se, a seguir, alguns tópicos que são incluídos rotineiramente nos
“Check lists” de inspeção e manutenção das principais obras civis.
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Reservatório
- Estado geral do reservatório da encosta;
- Verificação do processo de assoreamento;
- Remoção de plantas aquáticas (água pé);
- Verificação da qualidade da água do reservatório e de jusante.
Barragem de Terra e Enrocamento
- Instrumentação, se existir;
- Sistema de drenagem;
- Surgimento de água a jusante;
- Trincas, erosão, recalques e solapamentos;
- Vegetação indesejável.
Barragem de Concreto e Vertedouro
- Instrumentação, se existir;
- Sistema de drenagem;
- Surgimento de água a jusante;
- Estado geral do concreto (trincas e erosão).
Canal Adutor
- Estado geral da grade - limpeza e reparos;
- Estado geral da estrutura do canal, - limpeza e reparos.
Tomada d’Água
- Estado geral do concreto (trincas e erosão);
- Estado geral da grade - limpeza e reparos;
- Estado geral das comportas - reparos;
- Estado geral do pórtico/talha - lubrificação.
Conduto Forçado
- Estado geral do conduto, apoios e f langes das juntas de dilatação
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- Reparos/pintura;
- Estado geral do leito e das canaletas de drenagem - reparos/limpeza.
Casa de Força
- Estado geral do concreto (trincas e erosão);
- Verificação da instrumentação, se existir;
- Sistema de drenagem (poço) - limpeza;
- Instalações.
Subestação
- Estado geral da área da plataforma e do sistema de drenagem (trincas e erosão).
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REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS
[1] http://ciencia.hsw.uol.com.br/usinas-hidreletricas4.htm - Acessado as 22h00 do
dia 17 de Dezembro de 2013.
[2] http://www.planetseed.com/pt-br - Acessado as 23h00 do dia 17 de Dezembro de
2013.