EDITORA PROFISSIONALIZANTE

Redes Elétricas

Introdução

A energia elétrica é um pouco como o ar que respiramos - você

não pensa sobre ela até ficar sem. A energia apenas está "lá", satisfazendo

cada uma de suas necessidades constantemente. Você a usa para aquecimento,

esfriamento, cozimento, refrigeração, iluminação, som, computador,

entretenimento. Sem ela, a vida pode ficar meio desconfortável.

A energia viaja desde a usina elétrica até sua casa por um sistema

incrível chamado, rede de distribuição de energia.

A rede elétrica é pública - se você vive em um subúrbio ou em

uma zona rural, pode ser que ela esteja ao ar livre, para todos verem. Ela está

tão a vista que você provavelmente nem a percebe mais. Seu cérebro

provavelmente ignora todos os cabos de eletricidade porque são vistos com

freqüência. Neste artigo, vamos ver todo o equipamento que traz a energia

elétrica até sua casa. Da próxima vez que você olhar para uma rede elétrica,

você vai realmente vê-la e entender o que está acontecendo.

A usina elétrica

A energia elétrica é gerada na usina elétrica. Em quase todos os

casos, a usina elétrica consiste de um gerador elétrico rotativo. Algo tem que

acionar esse gerador - pode ser uma turbina hidráulica em uma represa

hidrelétrica, um grande motor a diesel ou uma turbina a gás. Nos Estados

Unidos, na maioria dos casos o gerador é acionado por uma turbina a vapor.

O vapor pode ser obtido pela queima de carvão, óleo ou gás natural. O vapor

pode vir também de um reator nuclear como este, na usina elétrica nuclear

Shearon Harris, próximo a Raleigh, na Carolina do Norte:

Não importa o que os aciona, geradores elétricos comerciais de

qualquer tamanho geram o que é chamado de energia trifásica CA. Para

entender uma energia trifásica CA, é interessante entender primeiro a energia

monofásica.

Foto cedida Departamento Americano de Energia

Um esquema das principais fontes das usinas de energia elétrica dos Estados Unidos, por fonte.

A usina elétrica: corrente alternada

Energia monofásica é o que você tem em sua casa. Você

geralmente fala sobre a instalação elétrica da casa como uma instalação

monofásica de 120 volts CA. Se você usar um osciloscópio e olhar a energia

encontrada em uma tomada normal da parede de sua casa, verá que a energia

na tomada parece uma onda senoidal, e que a onda oscila entre -170 volts e

170 volts (os picos estão na verdade em 170 volts; é a tensão eficaz (rms) que

é de 120 volts). A freqüência da onda senoidal é de 60 ciclos por segundo

(Hertz). Sinais elétricos com estas características são, geralmente, chamados

de CA, ou corrente alternada. A alternativa para o sinal CA é o sinal CC, ou

corrente contínua. As baterias produzem sinais CC: a corrente elétrica flui

em uma única direção, do terminal positivo para o negativo da bateria.

O sinal CA tem pelo menos três vantagens sobre o sinal CC em

uma rede de distribuição de energia:

1. Grandes geradores elétricos geram CA naturalmente; assim, a

conversão para CC envolveria uma etapa extra;

2. Os transformadores devem ter correntes alternadas para operar, e

veremos que a rede de distribuição de energia depende dos

transformadores;

3. É fácil converter CA em CC, mas é caro converter CC em CA; então, se

você tiver de optar por uma escolha a CA.

A usina, portanto, produz CA. Na próxima página, você vai

aprender sobre a energia CA produzida na usina elétrica. Notavelmente, ela é

produzida em três fases.

A usina elétrica: energia trifásica

A usina elétrica produz energia CA em três diferentes fases

simultaneamente, sendo que as três possuem 120º de defasagem uma em

relação à outra. Há 4 cabos saindo de cada usina elétrica: as três fases mais o

neutro ou terra, comum para todas as fases. Se você olhar para as três fases

em relação ao terra, em um gráfico, elas teriam a seguinte forma:

Não há nada mágico sobre a energia trifásica. São simplesmente

três fases sincronizadas e defasadas em 120 graus.

Por que três fases? Por que não uma, duas ou quatro? Em um

sistema com uma ou duas fases, existem 120 instantes por segundo 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, há um ganho com relação à

potência para os motores trifásicos de alta potência (usados nas aplicações

industriais) e os equipamentos de solda trifásicos, por exemplo. Quatro fases

não representariam uma melhora significativa neste cenário, mas

acrescentariam um quarto cabo; então, a opção natural é o sistema trifásico.

E o que falar sobre esse "terra", mencionado acima? A empresa

de energia usa essencialmente a terra como um dos cabos no sistema de

potência. A terra é um ótimo condutor e é enorme; então, ela representa um

bom caminho de retorno para os elétrons. Os fabricantes de carros fazem algo

similar. Eles usam o chassi de metal do carro como um dos cabos no sistema

elétrico do veículo e conectam o pólo negativo da bateria ao chassi. "Terra" na

rede de distribuição é literalmente "o planeta Terra", que é tudo em seu redor

quando você caminha lá fora. É o cascalho, as pedras, a água do subsolo, etc.

Subestação de transmissão

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 (que está em

um nível de milhares de volts) até tensões extremamente altas, para a

transmissão de longa distância através da rede de transmissão.

Uma típica subestação em uma usina elétrica

Você pode ver, ao fundo, várias torres com três cabos saindo da

subestação. As tensões típicas para a transmissão de longa distância variam de

155 mil a 765 mil volts. Esse nível de tensão visa reduzir as perdas nas linhas.

A distância máxima de uma transmissão típica é de aproximadamente 483 km.

As linhas de transmissão de alta tensão são inconfundíveis quando você as vê.

Normalmente, elas são constituídas de enormes torres de aço como esta:

Todas as torres da figura possuem três cabos, sendo um para cada

fase. Muitas torres, como as mostradas acima, possuem cabos extras correndo

ao longo de seu topo. Estes são cabos aterrados (denominados pára-raios ou

cabo-guarda) e eles estão lá principalmente em uma tentativa de atrair raios.

A rede de distribuição

Para a energia ser útil em uma casa ou comércio, ela vem da rede

de transmissão e é reduzida para a rede de distribuição. Isso pode acontecer

em várias etapas. O local onde ocorre a redução da "transmissão" para a

"distribuição" é a subestação de distribuição. Uma subestação de

distribuição geralmente faz duas ou três coisas:

Ela tem transformadores que reduzem a tensão de transmissão (de uma

faixa de dezenas ou centenas de milhares de volts) para a tensão de

distribuição (geralmente de menos de 10 mil volts);

Ela 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.

Uma típica subestação de pequeno porte

O equipamento (caixa cinza) em primeiro plano é um grande

transformador. À esquerda (e fora do quadro, mas visível na próxima foto)

está a linha de energia que chega da rede de transmissão e um conjunto de

chaves associado a essa linha. À direita está um barramento de distribuição e

mais três reguladores de tensão.

As linhas de transmissão entrando na subestação e passando pelas chaves na torre

As chaves na torre e o transformador principal

Agora o barramento de distribuição aparece na foto.

Barramento de distribuição

A energia segue do transformador para o barramento de distribuição:

Nesse caso, o barramento distribui a energia para dois conjuntos separados de

linhas de distribuição em duas tensões diferentes. Os transformadores menores

conectados aos barramento estão reduzindo a tensão para o valor padrão

(geralmente 7.200 volts) para um conjunto de linhas, ao passo que a parte da

energia segue na outra direção, na tensão maior do transformador principal. A

energia deixa essa subestação em dois conjuntos de três cabos, cada um em

uma direção diferente:

Os cabos entre esses dois postes são os "cabos dos cabos" para suporte. Eles não transportam corrente.

Da próxima vez que você estiver viajando por uma estrada, pode

olhar os cabos de energia de um modo completamente diferente. Na figura à

direita, uma cena típica: os três cabos no alto dos postes são os três cabos para

a energia trifásica. O quarto cabo mais abaixo é o fio terra. Em alguns casos

haverá cabos extras, comumente fios de telefone ou 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. Por exemplo, você freqüentemente vê uma grande

caixa verde (talvez de 1,8 m de um lado) próximo a um conjunto de cargas.

Ela está realizando a função de redução da tensão para estas cargas.

Banco regulador

Você também vai encontrar os bancos de reguladores localizados

ao longo da linha, tanto subterrânea como aérea. Eles regulam a tensão da

linha para evitar condições de subtensão e sobretensão.

Um típico banco regulador

Lá em cima, na parte superior desta foto, estão três chaves que

permitem que esse banco de reguladores seja desconectado para manutenção

quando necessário:

Nesse ponto, temos uma linha típica com tensão em torno de

7.200 volts, passando pelo bairro em três cabos (com um quarto cabo-terra, na

parte de baixo do poste):

Terminais

Uma casa precisa de apenas uma das três fases; então, é comum

você ver três cabos pela estrada, e terminais para uma ou duas das fases

escoarem pelas ruas laterais. Na foto abaixo, é ilustrado um terminal trifásico

para um bifásico, com duas fases sendo derivadas para a direita:

Aqui está um terminal bifásico para um monofásico, com

somente uma fase correndo pela direita:

Em casa

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

(de 7.200 volts) 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, há um transformador conectado ao poste, assim:

Em muitos bairros, as linhas de distribuição são subterrâneas e

há caixas verdes de transformadores em cada uma ou duas casas. Aqui estão

alguns detalhes dos elementos presentes no poste:

O trabalho do transformador é reduzir os 7.200 volts para os 240

volts usados nas instalações elétricas residenciais normais. Vamos dar uma

olhada no poste mais uma vez, desde a parte de baixo, para ver o que está

acontecendo:

Há duas coisas para se notar nesta foto:

Um cabo exposto descendo pelo poste: o fio terra. Todo poste no

planeta tem um. Se você vir uma empresa de energia instalar um novo

poste, perceberá que a extremidade do cabo exposto está conectada a

uma haste na base do poste e, por isso, está em contato direto com a

terra, percorrendo de 1,8 a 3 m no subsolo. Esta é uma conexão boa e

sólida com a terra. Se você examinar um poste com cuidado, verá que o

fio terra que corre entre os postes está conectado a essa ligação direta

com o solo;

Dois cabos saindo do transformador e três cabos entrando na casa. Os

dois cabos do transformador são isolados e o terceiro é exposto. O cabo

exposto é o fio terra. Os dois cabos isolados possuem cada um 120

volts, mas estão 180 graus defasados; então, a diferença entre eles é de

240 volts. Essa configuração permite que o proprietário da casa use

tanto os aparelhos de 120 volts como os de 240 volts. O transformador é

enrolado neste tipo de configuração:

Os 240 volts entram em sua casa através de um típico wattímetro como este:

O medidor permite que a empresa de energia cobre você.

Dispositivos de segurança: fusíveis

Fusíveis e disjuntores são dispositivos de segurança. Vamos

dizer que você não tenha fusíveis ou disjuntores em casa e algo de errado

aconteça. O que poderia acontecer de errado? Veja alguns exemplos:

um motor de ventilador queimar um rolamento, travar, superaquecer e

derreter, causando uma conexão direta entre um fio fase e a terra;

Um cabo vem solto em uma lâmpada e conecta diretamente um fio fase

e a terra;

Um rato morde o isolamento em um cabo e conecta diretamente o fio

fase e a terra;

alguém passa com o aspirador de pó por cima do fio do abajur,

cortando-o e conectando diretamente o fio fase à terra;

Uma pessoa pendura um quadro na sala de estar e o prego atinge um fio

fase na parede, conectando diretamente o fio fase a terra.

Quando um fio fase de 120 volts se conecta diretamente a terra,

seu efeito é enviar tanta eletricidade quanto possível através da conexão. O

dispositivo ou o cabo na parede explodiria em uma situação dessas (o cabo na

parede ficaria quente como a resistência de um forno elétrico). Um fusível é

um dispositivo simples projetado para superaquecer e queimar extremamente

rápido em uma situação dessa. Em um fusível, um pedaço fino de fio vaporiza

rapidamente quando uma corrente elevada passa por ele. Isso interrompe a

corrente no cabo imediatamente, protegendo-o do superaquecimento. Os

fusíveis devem ser substituídos cada vez que queimarem. Um disjuntor usa o

calor de uma sobrecarga para acionar um mecanismo e abrir como uma chave,

por isso os disjuntores podem ser religados.

A energia, então, entra na casa através de um típico quadro de disjuntores

como este de cima.

Dispositivos de segurança: disjuntores

Dentro do quadro de disjuntores (à direita) você pode ver os dois

fios principais do transformador entrando na parte superior do disjuntor

geral. O disjuntor geral permite que você interrompa a energia do quadro

inteiro quando necessário. Dentro desse arranjo, todos os cabos seguem para

as diversas tomadas e luzes da casa, através de um disjuntor ou fusível:

Se o disjuntor estiver acionado, a energia fluirá através dos fios

na parede e eventualmente fará seu caminho até o destino final: a tomada.

Que história incrível! É necessário todo esse equipamento para

que a energia da usina elétrica chegue até seu quarto.

Da próxima vez que você viajar por uma estrada e olhar para as

linhas de energia, ou da próxima vez que acender a luz, vai entender muito

melhor o que está acontecendo. A rede de distribuição de energia é, na

verdade, um sistema incrível.

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