geração, transmissão e distribuição de energia elétrica...

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FEIT/UEMG Engenharia Elétrica Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica Profª MSc. Stefani Freitas 1 MÓDULO I VISÃO GERAL Referências utilizadas : Leão, R. “GTD – Geração, Transmissão e Distribuição da Energia Elétrica”, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Ceará, Ceará, 2009. Demais/outros conteúdos, imagens e apostilas disponíveis na Web/Internet. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1.1 Sistema Elétrico de Potência Sistema Elétrico de Potência (SEP) conjunto de equipamentos que operam simultaneamente e de maneira coordenada de forma a gerar, transmitir e fornecer energia elétrica aos consumidores, mantendo o melhor padrão de qualidade possível. Estação de Geração 5kV a 25kV Subestação Elevadora 230kV a 1200kV Linhas de Transmissão Indústrias de Grande Porte ou Subestação Abaixadora Subestação Abaixadora de Distribuição Cliente Secundário Baixa Tensão Cliente Primário 13,8kV Cliente de Subtransmissão (35kV a 138kV) ou de Distribuição (V < 230kV) Preto ----- Geração Azul ------ Transmissão Verde ---- Distribuição Fig. 1.1 Estrutura básica do sistema elétrico de potência. Equipamentos geradores, transformadores, linhas de transmissão, disjuntores, chaves seccionadoras, pára-raios, relés, medidores, cabos, condutores, etc. Características do SEP : Normalmente são trifásicos Apresentam um grande número de componentes; Possuem transformadores que particionam o sistema em seções de diferentes níveis de tensão. Existem alguns requisitos básicos relacionados ao padrão de qualidade do fornecimento que devem ser satisfeitos pelas empresas concessionárias de energia elétrica. São eles: Os níveis de tensão devem estar dentro de uma faixa especificada; A frequência deve estar dentro de uma faixa especificada; O serviço deve sofrer o mínimo de interrupções e estas devem durar o mínimo possível; A forma de onda da tensão deve ser a mais próxima possível de uma senóide;

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Page 1: Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica · PDF fileNo modelo atual os sistemas elétricos são tipicamente divididos em segmentos como: geração, transmissão,

FEIT/UEMG – Engenharia Elétrica Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica

Profª MSc. Stefani Freitas

1

MÓDULO I

VISÃO GERAL

Referências utilizadas:

Leão, R. “GTD – Geração, Transmissão e Distribuição da Energia Elétrica”, Departamento de

Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Ceará, Ceará, 2009.

Demais/outros conteúdos, imagens e apostilas disponíveis na Web/Internet.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1.1 – Sistema Elétrico de Potência

Sistema Elétrico de Potência (SEP) conjunto de equipamentos que operam

simultaneamente e de maneira coordenada de forma a gerar, transmitir e fornecer energia

elétrica aos consumidores, mantendo o melhor padrão de qualidade possível.

Estação de

Geração

5kV a 25kV

Subestação

Elevadora

230kV a

1200kV

Linhas de

Transmissão

Indústrias de Grande Porte ou

Subestação Abaixadora

Subestação

Abaixadora

de Distribuição

Cliente

Secundário

Baixa Tensão

Cliente

Primário

13,8kV

Cliente de

Subtransmissão

(35kV a 138kV)

ou de

Distribuição

(V < 230kV)

Preto ----- Geração

Azul ------ Transmissão

Verde ---- Distribuição

Fig. 1.1 – Estrutura básica do sistema elétrico de potência.

Equipamentos geradores, transformadores, linhas de transmissão, disjuntores, chaves

seccionadoras, pára-raios, relés, medidores, cabos, condutores, etc.

Características do SEP:

Normalmente são trifásicos

Apresentam um grande número de componentes;

Possuem transformadores que particionam o sistema em seções de diferentes níveis de

tensão.

Existem alguns requisitos básicos relacionados ao padrão de qualidade do fornecimento que

devem ser satisfeitos pelas empresas concessionárias de energia elétrica. São eles:

Os níveis de tensão devem estar dentro de uma faixa especificada;

A frequência deve estar dentro de uma faixa especificada;

O serviço deve sofrer o mínimo de interrupções e estas devem durar o mínimo possível;

A forma de onda da tensão deve ser a mais próxima possível de uma senóide;

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A energia deve ser entregue ao consumidor pelo menor custo possível (geração econômica,

transmissão com mínimas perdas, distribuição segura, etc.);

O impacto ambiental deve ser mínimo;

Etc..

1.2 – Base do SEP

Toda a tecnologia hoje em uso deve-se a grandes estudiosos, pioneiros e empreendedores da

eletricidade. Seus nomes e feitos são aqui registrados como tributo de reconhecimento pela

grande contribuição.

James Watt 1736 – 1819 (Escocês) Mecânico, concebeu o princípio da máquina a vapor, que possibilitou a

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

Alessandro Volta 1745 - 1827 (Italiano) Em 1800 anunciou a invenção da bateria. A unidade de força eletromotriz foi criada em sua homenagem (volt).

André Marie Ampère 1775 - 1836 (Francês) Iniciou pesquisa em 1820 sobre campos elétricos e magnéticos. 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).

Georg Simon Ohm 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).

Joseph Henry 1797-1878 (Americano) Descobriu a indutância de uma bobina. Em sua homenagem seu nome foi dado à unidade de indutância (henry).

Michael Faraday 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. A unidade de capacitância é em sua homenagem (F).

Gustav Robert Kirchhoff 1824–1887 (Alemão)

Em 1847 anunciou as leis de Kirchhoff para correntes e tensões.

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Thomas Alva Edison 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. 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.

William Stanley 1858-1968 (Americano) Em 1885 desenvolveu comercialmente o transformador.

Nikola Tesla 1856-1943 (Croata-Americano) Em 1888 inventou os 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).

1.3 – Organização do Sistema Elétrico Brasileiro

Sob o âmbito mundial, o setor elétrico tem passado por amplo processo de reestruturação

organizacional, visando à interligação de todas as redes de energia. No modelo atual os sistemas

elétricos são tipicamente divididos em segmentos como: geração, transmissão, distribuição, e

comercialização.

No Brasil, este processo de reestruturação 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 essa nova estrutura, o governo federal criou a estrutura apresentada na

Fig. 1.2.

Fig. 1.2 – Organização e os agentes do setor elétrico brasileiro.

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.

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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.

Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico – CMSE

Constituído no âmbito do MME e sob sua coordenação direta, com a função de acompanhar e

avaliar permanentemente a continuidade e a segurança do suprimento eletro energético em

todo o território.

Empresa de Pesquisa Energética - EPE

Empresa pública federal vinculada ao MME tem por finalidade prestar serviços na área de

estudos e pesquisas destinados a subsidiar o planejamento do setor energético.

Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL

Autarquia vinculada ao MME, com finalidade de regular a fiscalização, a produção, transmissão,

distribuição e comercialização de energia, em conformidade com as políticas e diretrizes do

Governo Federal. A ANEEL detém os poderes regulador e fiscalizador.

Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS

O ONS é responsável pela operação física do sistema e pelo despacho energético centralizado.

Câmara de Comercialização de Energia Elétrica – CCEE

Administra os contratos de compra e venda de energia elétrica, sua contabilização e liquidação.

A CCEE é responsável pela operação comercial do sistema.

Agências Estaduais de Energia Elétrica

Nos estados foram criadas as Agências Reguladoras Estaduais com a finalidade de descentralizar

as atividades da ANEEL.

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.

Agentes Setoriais

Agentes relacionados ao setor de energia elétrica (Ex. ABRAGE: Associação Brasileira das

Empresas Geradoras de Energia Elétrica).

1.4 – Sistema de Geração

Na geração de energia elétrica uma tensão alternada é produzida, a qual é expressa por uma

onda senoidal. Essa onda senoidal propaga-se pelo sistema elétrico mantendo a frequência

constante e modificando a amplitude à medida que trafega por transformadores. Os

consumidores conectam-se ao sistema elétrico e recebem o produto e o serviço de energia

elétrica.

Conversão convencional

Fontes primárias: hidráulica, combustível fóssil (carvão, petróleo, gás), fissão nuclear;

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ENERGIA

MECÂNICA

ALTERNADOR OU

GERADOR

ENERGIA

ELÉTRICA

Fig. 1.3 – conversão convencional.

Conversão Não-Convencional

Solar: células fotoelétricas (baixo rendimento, alto custo)

Eólica: cataventos [Brasil (RS, CE,...), Dinamarca, EUA (Califórnia)]

1.5 – Sistemas de Transmissão e Subtransmissão

O sistema de transmissão liga as grandes usinas de geração às áreas de grande consumo. 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. No Brasil, o nível de tensão estabelecido está entre 230 kV e 750 kV.

O sistema de subtransmissão recebe energia da rede de transmissão com objetivo de transportar energia elétrica a pequenas cidades ou importantes consumidores industriais. O nível de tensão está, geralmente, entre 35 kV e 138 kV. 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. Os sistemas de proteção são do mesmo tipo daqueles usados para as redes de transmissão e o controle é regional.

1.6 – Sistema de Distribuição

As redes de distribuição alimentam consumidores industriais de médio e pequeno porte,

consumidores comerciais e de serviços e consumidores residenciais. E, de acordo com a

Resolução N°456/2000 da ANEEL e o Módulo 3 do Prodist (Procedimentos de Distribuição), a

tensão de fornecimento para a unidade consumidora se dará de acordo com a potência instalada.

Os níveis de tensão de distribuição, segundo o Prodist, são assim classificados:

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

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.

A rede BT representa o nível final na estrutura de um SEP. Grande número de consumidores,

setor residencial, é atendido pelas redes em BT. Tais redes são em geral operadas manualmente.

Tabela 1.1 - Tensões Nominais Padronizadas de Baixa Tensão – Prodist Módulo 3

Sistemas Tensão Nominal (V)

Trifásico

220/127 380/220

Monofásico

254/ 127 440/220

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Fig. 1.4 – Poste de distribuição.

O SEP é um sistema de controle

Fig. 1.5 – Exemplo de um SEP.

1.7 – Características do Setor Elétrico Brasileiro

1.7.1 – 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 14 diferentes bacias hidrográficas nas diferentes regiões do país de maior

atratividade econômica.

Tabela 1.2 – Potência das maiores usinas hidrelétricas do Brasil.

Usina Capacidade de geração

Itaipu (Rio Paraná) 14000MW Tucuruí (Rio Tocantins) 8730MW

Ilha Solteira (Rio Paraná) 3444MW Xingó (Rio São Francisco) 3162MW Foz do Areia (Rio Iguaçu) 2511MW

Paulo Afonso (Rio São Francisco) 2462MW

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Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/pop/pop_integracao_eletroenergetica.aspx

Fig. 1.6 – Interligação eletroenergética do Brasil.

Tipos de usinas brasileiras:

Hidroelétricas (cerca de 71,74%);

Termoelétricas (carvão ou óleo);

Nuclear (urânio enriquecido);

Outros tipos de combustíveis alternativos como biomassas (bagaço de cana, casca de

amêndoa do caju, óleo de mamona), turbinas movidas a gás, centrais solares e

aproveitamento dos ventos (eólicas) e das marés, etc.

1.7.2 – Sistema Interligado Nacional

O parque gerador nacional é constituído, predominantemente, de centrais hidrelétricas de

grande e médio porte, instaladas em diversas localidades do território nacional.

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, otimizar 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.

Vantagens dos sistemas interligados: Aumento da estabilidade; Aumento da confiabilidade; Aumento da disponibilidade do sistema; Mais econômico (trocar reservas).

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

1.7.3 – Transmissão de Energia Elétrica no Brasil

As linhas de transmissão (LT) 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 na Tabela 1.3.

Tabela 1.3 – Maiores transmissores de energia elétrica do Brasil (Fonte: ABRATE, 2008).

Agentes Km de LT

FURNAS 19.082 CTEEP 18.495 CHESF 18.260

ELETROSUL 10.693 ELETRONORTE 7.856

CEEE 6.008 CEMIG 4.875 COPEL 1.766

Apenas o Amazonas, Roraima, Acre, Amapá, Rondônia e parte do estado 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 Fig. 1.7

Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/pop/pop_sistema_transmissao.aspx

Fig. 1.7 – Sistema de transmissão do Brasil.

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1.7.4 – Distribuição de Energia Elétrica 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).

As maiores concessionárias de distribuição de eletricidade do Brasil são classificados conforme a tabela a seguir:

Tabela 1.4 – Maiores agentes de distribuição do Brasil (Fonte: ABRADEE, 2008).

Empresa Consumo em GWh

ELETROPAULO (SP) 32.548 CEMIG (MG) 20.693

CPFL (SP) 18.866 COPEL (PR) 18.523 LIGHT (RJ) 18.235

CELESC (SC) 13.829 COELBA (BA) 11.403

ELEKTRO (SP, MS) 10.055 CELPE (PE) 8.171

1.8 – O Futuro do Mercado de Energia

O mercado geração, transmissão e distribuição de energia elétrica é hoje caracterizado por

monopólios naturais dentro de áreas geográficas. A nova tendência internacional é de

liberalização do mercado de energia elétrica com o estabelecimento de comércio de energia on-

line. Tecnologia e vontade para isso já existem. A tecnologia, no caso, atende pelo nome de Smart

Grid (redes inteligentes).

As Smart Grids proporcionam um retorno, do cliente, para a distribuidora de energia. Por

meio de tecnologias digitais, produtores conseguem se comunicar com consumidores,

proporcionando, entre outras coisas, o controle da emissão de energia, a identificação de

problemas e de falhas em tempo real e, até mesmo, o controle de equipamentos diversos

conectados à rede. Como em uma rede de dados, é possível definir a rota por onde vai passar a

energia, evitando trechos com problemas e garantindo o fornecimento.

Usinas: Hidrelétricas/

Termoelétricas/ Nucleares/

Central de operação

Rede residencial local

Painéis solares

Veículos solaresSistema de distribuição

Sistema de

gerenciamento de edifícios

Sistema de

armazenamento

Sistema de transmissão

Subestação

Sistema de distribuição

Fig. 1.8 – Smart Grid.

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Em tempos nos quais a preocupação com o meio ambiente amarra investimentos em

tecnologia, as Smart Grids aparecem como uma alternativa inteligente para racionar o consumo

e aumentar a eficiência energética. Os custos são altos, mas, aparentemente, existem demanda e

vontade para tornar o conceito uma realidade no Brasil.

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