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1 CELESC Eletricista Grandezas Elétricas: tensão, corrente, potência (ativa, reativa, total), frequência, resistência de aterramento, isolação elétrica, qualidade de energia. ......................................................... 1 Medição e instalação de equipamentos de medição. .......................................................... 4 Componentes elétricos de baixa e média tensão: Disjuntores, transformadores, seccionadoras, transformador de corrente e de potencial de baixa e média. ........................... 6 Inversores de frequência, chaves estáticas de partida suave, contadores, disjuntores-motor, multimedidores de grandezas elétricas, capacitores. ............................................................. 20 Instalação, configuração e parametrização de componentes elétricos de baixa e média tensão de. Sistemas de proteção, comando, controle e aterramento. .................................... 23 Análise e interpretação de projetos elétricos em redes/linhas de distribuição de energia. . 32 Diagnósticos de defeito de redes de distribuição de alta, média e baixa tensão. .............. 41 Dimensionamento de condutores e de dispositivos de proteção, comando e controle. ..... 42 Conceitos de manutenção redes/linhas de distribuição de energia. Manutenção corretiva de redes de distribuição de alta, média e baixa tensão, preventiva e preditiva. .......................... 49 Manuseio e aplicação de instrumentos de ensaios elétricos: Multímetro. ......................... 52 Segurança e utilização de Equipamento de Proteção Individual e Coletivo - EPI / EPC e dos riscos inerentes à atividade incluindo choque elétrico e arco-voltaico. .................................. 57 Questões ........................................................................................................................... 60 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 2 Olá Concurseiro, tudo bem? Sabemos que estudar para concurso público não é tarefa fácil, mas acreditamos na sua dedicação e por isso elaboramos nossa apostila com todo cuidado e nos exatos termos do edital, para que você não estude assuntos desnecessários e nem perca tempo buscando conteúdos faltantes. Somando sua dedicação aos nossos cuidados, esperamos que você tenha uma ótima experiência de estudo e que consiga a tão almejada aprovação. Pensando em auxiliar seus estudos e aprimorar nosso material, disponibilizamos o e-mail professores@maxieduca.com.br para que possa mandar suas dúvidas, sugestões ou questionamentos sobre o conteúdo da apostila. Todos e-mails que chegam até nós, passam por uma triagem e são direcionados aos tutores da matéria em questão. Para o maior aproveitamento do Sistema de Atendimento ao Concurseiro (SAC) liste os seguintes itens: 01. Apostila (concurso e cargo); 02. Disciplina (matéria); 03. Número da página onde se encontra a dúvida; e 04. Qual a dúvida. Caso existam dúvidas em disciplinas diferentes, por favor, encaminhar em e-mails separados, pois facilita e agiliza o processo de envio para o tutor responsável, lembrando que teremos até cinco dias úteis para respondê-lo (a). Não esqueça de mandar um feedback e nos contar quando for aprovado! Bons estudos e conte sempre conosco! 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 1 Grandezas Elétricas1 Tensão elétrica (Diferença de Potencial – DDP) Tensão elétrica é a diferença de potencial entre dois pontos e é medida em Volts (V). Como exemplo, podemos medir 12V entre os polos de uma bateria, podemos também medir 220V entre os pinos de uma tomada. Enquanto a bateria apresenta uma tensão contínua, A tensão da tomada se inverte de polaridade 60 vezes por segundo e é chamada, portanto, de tensão alternada de 60Hz. Como mostra a figura abaixo. Corrente Corrente elétrica é o fluxo de elétrons que percorre um circuito elétrico quando este é conectado a uma fonte de tensão elétrica. Sua unidade de medida é o ampère. Sua intensidade varia de acordo com a carga, ou seja, para uma mesma intensidade de tensão, quanto maior a carga, maior a corrente elétrica. Uma fonte de tensão contínua, como a bateria, provoca uma corrente contínua no circuito, enquanto que, uma fonte de tensão alternada, como a tomada, provoca no circuito uma corrente alternada. Potência Potência elétrica é a capacidade de produzir trabalho, em um circuito simples é calculada como sendo um produto da tensão pela corrente (Potência = Tensão x Corrente). Em um circuito de corrente alternada podemos encontrar 3 tipos de potência: ativa, reativa, total ou aparente. Potência Ativa Potência ativa é medida em kW (quilowatts) e é basicamente consumida na parte resistiva dos circuitos elétricos, incluindo-se as resistências naturais dos condutores elétricos. A potência ativa que é consumida em um determinado tempo nos leva a energia ativa, que é medida em kWh (quilowatts/ hora). Potência Reativa Potência reativa é medida em kVAr. É utilizada basicamente para carga nos capacitores e para produção de campos magnéticos nas bobinas dos motores e transformadores. Como não é propriamente consumida, mas temporariamente utilizada e depois devolvida, as concessionárias de energia elétrica impõem limites a sua utilização. Como capacitores e bobinas se utilizam da potência reativa em tempos inversos, usa-se acrescentar capacitores nas instalações elétricas onde há bobinas, para que troquem potência reativa entre si, melhorando assim o fator de potência e evitando-se multas por parte da concessionária. Potência Total ou Aparente Potência total ou aparente é medida em kVA (kilo Volt Ampére). É a soma vetorial das potências ativa (kW) e reativa (kVAr). Como mostra a figura abaixo. 1http://www.eficien.com.br Grandezas Elétricas: tensão, corrente, potência (ativa, reativa, total), frequência, resistência de aterramento, isolação elétrica, qualidade de energia. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 2 Tendo como analogia um copo de chopp podemos visualizar a potência total. O líquido do chopp é representado pela potência ativa e a espuma a potência reativa em kVAr, a soma dos dois representaria a potência total ou aparente. Seguindo a mesma lógica, é importante manter os níveis de circulação de potência reativa nas instalações o mais baixo possível, para que permaneça mais espaço para a circulação de potência ativa. Desta forma, quanto mais próximos os valores de potência ativa e da potência total, a instalação de apresentará mais eficiente e com menos perdas. Frequência Frequência é a repetição de determinados eventos em um intervalo de tempo. No caso da corrente elétrica, é a quantidade de vezes que a corrente completa um ciclo de alternância dos sentidos em um segundo (muda de polaridade do positivo para o negativo e vice-versa). Frequência é o Hertz (Hz). Um Hertz é igual a um ciclo por segundo (c/s). No caso do Brasil a corrente alternada que é distribuída possui a frequência de 60 Hz. Resistência Elétrica Ao aplicar-se uma tensão U, em um condutor qualquer se estabelece nele uma corrente elétrica de intensidade i. Para a maior parte dos condutores estas duas grandezas são diretamente proporcionais, ou seja, conforme uma aumenta o mesmo ocorre à outra. Desta forma: A esta constante chama-se resistência elétrica do condutor (R), que depende de fatores como a natureza do material. Quando esta proporcionalidade é mantida de forma linear, chamamos o condutor de ôhmico, tendo seu valor dado por: Sendo R constante, conforme enuncia a 1ª Lei de Ohm: Para condutores ôhmicos a intensidade da corrente elétrica é diretamente proporcional à tensão (ddp) aplicada em seus terminais. A resistência elétrica tambémpode ser caracterizada como a "dificuldade" encontrada para que haja passagem de corrente elétrica por um condutor submetido a uma determinada tensão. No SI a unidade adotada para esta grandeza é o ohm (Ω), em homenagem ao físico alemão Georg Simon Ohm Condutores e Isolantes Em alguns tipos de átomos, especialmente os que compõem os metais - ferro, ouro, platina, cobre, prata e outros -, a última órbita eletrônica perde um elétron com grande facilidade. Por isso seus elétrons recebem o nome de elétrons livres. Estes elétrons livres se desgarram das últimas órbitas eletrônicas e ficam vagando de átomo para átomo, sem direção definida. Mas os átomos que perdem elétrons também os readquirem com facilidade dos átomos vizinhos, para voltar a perdê-los momentos depois. No interior dos metais os elétrons livres vagueiam por entre os átomos, em todos os sentidos. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 3 Devido à facilidade de fornecer elétrons livres, os metais são usados para fabricar os fios de cabos e aparelhos elétricos: eles são bons condutores do fluxo de elétrons livres. Já outras substâncias - como o vidro, a cerâmica, o plástico ou a borracha - não permitem a passagem do fluxo de elétrons ou deixam passar apenas um pequeno número deles. Seus átomos têm grande dificuldade em ceder ou receber os elétrons livres das últimas camadas eletrônicas. São os chamados materiais isolantes, usados para recobrir os fios, cabos e aparelhos elétricos. Essa distinção das substâncias em condutores e isolantes se aplica não apenas aos sólidos, mas também aos líquidos e aos gases. Dentre os líquidos, por exemplo, são bons condutores as soluções de ácidos, de bases e de sais; são isolantes muitos óleos minerais. Os gases podem se comportar como isolantes ou como condutores, dependendo das condições em que se encontrem. O que determina se um material será bom ou mau condutor térmico são as ligações em sua estrutura atômica ou molecular. Assim, os metais são excelentes condutores de calor devido ao fato de possuírem os elétrons mais externos "fracamente" ligados, tornando-se livres para transportar energia por meio de colisões através do metal. Por outro lado, temos que materiais como lã, madeira, vidro, papel e isopor são maus condutores de calor (isolantes térmicos), pois, os elétrons mais externos de seus átomos estão firmemente ligados. Os líquidos e gases, em geral, são maus condutores de calor. O ar, por exemplo, é um ótimo isolante térmico. Por este motivo quando você põe sua mão em um forno quente, não se queima. Entretanto, ao tocar numa forma de metal dentro dele você se queimaria, pois, a forma metálica conduz o calor rapidamente. A neve é outro exemplo de um bom isolante térmico. Isto acontece porque os flocos de neve são formados por cristais, que se acumulam formando camadas fofas aprisionando o ar e dessa forma dificultando a transmissão do calor da superfície da Terra para a atmosfera. Qualidade de Energia2 O termo Qualidade da Energia Elétrica está relacionado a qualquer desvio que possa ocorrer na forma de onda. Dentre os fenômenos podemos citar: afundamentos, elevações e interrupções da tensão, distorções harmônicas, flutuação de tensão (Flicker), desequilíbrio de tensão, variações da frequência, sobretensões e subtensões. Na prática estes distúrbios podem ser causados por partida de motores, cargas não lineares, cargas especiais, má distribuições das cargas monofásicas, descargas atmosféricas entre outros. Deste modo, a Qualidade da Energia Elétrica é um fator de suma importância para todos os tipos de atividades, sejam estas industriais, comerciais ou de serviços. Portanto para manter o nível dos parâmetros de qualidade dentro de limites aceitáveis, é indispensável que haja um acompanhamento de forma permanente. 2http://www.gestal.com/produtos/qualidade-de-energia-prodist 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 4 Instrumentos Elétricos Para Medições3, 4, 5, 6 Voltímetro É o instrumento utilizado para medir a grandeza de uma tensão elétrica. Voltímetro Assim como uma tensão apresenta duas modalidades distintas, a contínua e a alternada, também um voltímetro apresentará terminais diferentes, devidamente identificados, para o emprego específico da medição em cada modalidade. Antes do seu emprego, deverá ser observada a capacidade máxima de leitura do instrumento tanto para a tensão contínua como para a tensão alternada, pois nessas duas modalidades podem haver limites distintos. Outro aspecto que também deve ser apreciado previamente ao uso, é a escala a ser utilizada em função da grandeza da tensão a ser medida. Na dúvida do valor a ser medido, a maior escala deverá ser utilizada, sendo empregada a escala subsequente inferior no caso de não sensibilidade à medição. A unidade padrão de representação da tensão é o Volt, podendo ainda o voltímetro, dependendo de suas especificações e devido emprego, apresentar escalas em múltiplos do Volt, como o quilovolt, “kV”, que representa 1000 V, e submúltiplos do Volt, como o milivolt, “mV”, que representa 0,001 V. Para se realizar a medição, sua ligação ao circuito é feita pelo contato de suas ponteiras com os terminais dos potenciais elétricos que geram a tensão, numa ligação chamada de paralela, que representa uma ligação por um caminho alternativo à corrente no circuito. Amperímetro É o instrumento utilizado para medir a grandeza de uma corrente elétrica. Amperímetro Assim como no caso do voltímetro, apresenta leitura para os dois tipos de corrente elétrica, a contínua e a alternada, com terminais específicos. Geralmente, seu campo de medição é restrito, devido principalmente aos fatores risco e robustez entre outros, sendo suas medições restritas à grandeza de 10 A ou mesmo em limite ainda menor. Como consequência da limitação de seu campo de medição, a unidade padrão de representação da corrente é o Ampère, “A”, não apresentando, geralmente, múltiplos dessa unidade mas sim submúltiplos como o miliampère, “mA”, que representa 0,001 A, e mesmo o microampère, “mA”, que representa 0,000001 A. Para se realizar a medição, sua ligação ao circuito é feita pela inserção no circuito, ligação 3FOWLER, Richard J. Eletricidade - Princípios e Aplicações. São Paulo: Makron Books do Brasil, 1992. 4GUSSOW, Milton. Eletricidade básica. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1985. 5U.S. NAVY, Bureau of Naval Personnel. Curso completo de eletricidade. São Paulo: Hemus, 1980. 6MARINHA DO BRASIL - DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS - ENSINO PROFISSIONAL MARÍTIMO - CURSO DE FORMAÇÃO DE AQUAVIÁRIOS - MÓDULO MARÍTIMO - CFAQ - III Medição e instalação de equipamentos de medição. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 5 de suas ponteiras com terminais de um mesmo condutor, numa ligação chamada de série, que representa uma ligação onde a corrente circulante é a mesma do circuito. Alicate amperímetro É um tipo de amperímetro especial, aplicado à medição de maiores intensidades de correntes alternadas. Alicate amperímetro Seu princípio de funcionamento baseia-se no processo de indução eletromagnética, o que resolve os problemas de periculosidade e robustez, já que a corrente em medição não circula pelo interior do instrumento. Sua instalação no circuito a ter sua corrente medida é feita pela abertura de garras móveis possibilitando o envolvimento do condutor onde a medição será realizada. Em nenhum momento o alicate amperímetro é inserido no circuito, o que torna seu emprego seguro e ágil. Quanto aos cuidados na escolha de escala, devem ser seguidos os mesmos procedimentos do amperímetro. Ohmímetro É o instrumento utilizado para medir a grandeza de uma resistência elétrica. Ohmímetro Dos instrumentos de medição elétrica, é o único que, obrigatoriamente,deve ser utilizado com o circuito desenergizado, sua unidade básica de representação é o Ohm, “Ω“ havendo ainda escala em múltiplos, como o quilohm, “kΩ“, que representa 1000Ω, e em submúltiplos, como o miliohm, “mΩ “, que representa 0,001Ω. Sua instalação para efetuar a medição é feita pelo contato de suas ponteiras com os terminais da resistência elétrica a ser medida, sempre com o circuito desenergizado. Outro emprego para o ohmímetro é a realização do “teste de continuidade”, que consiste de, pela medição da resistência elétrica, verificar se um condutor encontra-se íntegro ou rompido. Estando o condutor íntegro, a resistência elétrica será mínima, praticamente “zero”. Porém, estando o condutor rompido, o ohmímetro estará ligado como que a dois condutores distintos, compondo uma alta resistência elétrica pela falta de continuidade. Megohmetro É um tipo especial de ohmímetro utilizado para medições de grandes resistências elétricas. Para tanto, sua unidade básica de representação da resistência elétrica é o megaohm, “MW”, que representa 1000000 W, daí vindo sua designação. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 6 Megohmetro Seu princípio de funcionamento é, basicamente, idêntico ao do ohmímetro, assim como também seus cuidados operacionais. Em termos práticos, utiliza-se um ohmímetro para se realizar medições de resistências elétricas de um circuito, enquanto utiliza-se um megohmetro para medir resistências de isolamento elétrico. Wattímetro É o instrumento utilizado para se medir a grandeza da potência elétrica de um circuito. Por estar ligado à tensão e à corrente do circuito, ou seja, informações reais, sua indicação é de potência efetiva, portanto em Watt, “W”. Wattímetro Normalmente possui três terminais de ligações, sendo um comum, a ser ligado num terminal do condutor, um paralelo, ligado em relação ao comum, que medirá a intensidade da tensão no circuito, e um série, ligado em relação ao comum, que medirá a intensidade da corrente no circuito. No caso de um circuito de corrente contínua, sua indicação é basicamente o mesmo valor da multiplicação do valor demonstrado pelo voltímetro pelo valor demonstrado pelo amperímetro. Já no caso de um circuito de corrente alternada, onde a presença de um wattímetro torna-se essencial, o valor da leitura deste dividido pelo produto dos valores das leituras do voltímetro e do amperímetro, permitirão a determinação real do valor de grandeza do fator de potência, o “cos ϕ”, que, como já observado, tem valor real variável. Geralmente, sua unidade básica de representação potência elétrica é feita em quilowatt, “kW”, que representa 1000 W. Construção de Subestações e Linhas de Transmissão em Tensão de Transmissão e Distribuição. As subestações de distribuição são as unidades responsáveis pela recepção da energia elétrica derivada de redes de subtransmissão em alta tensão. Componentes elétricos de baixa e média tensão: Disjuntores, transformadores, seccionadoras, transformador de corrente e de potencial de baixa e média. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 7 São componentes de uma subestação de distribuição: - o transformador; - chaves; - seccionadores; - disjuntores e - equipamentos de mediação e proteção contra raios ou curto circuitos. Diferença entre subestações de distribuição e subestação de transmissão As subestações de distribuição estão localizadas nos centros urbanos, pois são elas que distribuem a energia para as redes de distribuição. Já as de transmissão, estas não se localizam em centros urbanos. A energia é gerada através de diversos tipos de usinas, como a hidráulica, eólica, térmica, fotovoltaica, entre outras e chega ao seu fim até que se converta na forma de eletricidade. Para que a energia seja conduzida, utilizam-se linhas de transmissão. Os componentes básicos do sistema elétrico servem para transportar a energia gerada em altas tensões, além de realizar a interligação de múltiplos sistemas de transmissão, o que permite o intercâmbio de energia, além de permitir a continuidade do fornecimento às cargas, ainda que seja em casos de emergência. As linhas aéreas, subterrâneas ou subaquáticas permitem a transmissão de energia. A condução convencional acontece por linhas aéreas, que se caracterizam por utilizarem condutos nus em sua extensão, que se conectam por isoladores. As linhas subterrâneas usam cabos isolados e instalados em redes de dutos, as subaquáticas possuem algumas limitações técnicas e econômicas, porém acabam tendo grande utilidade em projetos de travessias de rios e canais que contenham um grande vão, o que torna dificultoso a escolha de outra alternativa. As linhas de transmissão podem transportar energia em corrente alternada ou contínua. O sistema em corrente alternada usa redes trifásicas que contenham um ou mais subcondutores por fase, e acaba sendo utilizado devido a sua flexibilidade, já que permite gerar, transmitir e distribuir energia elétrica na tensão mais econômica e segura. Por sua vez, a transmissão em corrente contínua tem sido aproveitada para transportar grandes blocos de potência a elevadas distâncias, por um ou dois polos com diversos condutores por polo. No caso das hidroelétricas e termelétricas os geradores são do tipo síncrono operando na frequência nominal de 60 Hz, que é a frequência dos sistemas elétricos brasileiros. Observa-se que as máquinas da maior usina do Brasil, a Usina de Itaipu-Binacional, do lado paraguaio funcionam em 50 Hz, mas são interligadas por um sistema de corrente contínua com a região Sudeste do Brasil. Conversores retificadores são utilizados para produzir a corrente contínua em Foz do Iguaçu - PR, enquanto que em Ibiúna -SP há inversores para produzir a corrente alternada.7 A tensão de saída dos geradores é ampliada a níveis mais altos por meio dos transformadores elevadores das usinas. Isto é feito para viabilizar as transmissões a média e longa distâncias, diminuindo- se desta forma, a corrente elétrica e, portanto, possibilitando o uso de cabos condutores de bitolas razoáveis, com adequados níveis de perdas joule e de queda de tensão ao longo das linhas de transmissão. Com relação às fontes convencionais observa-se que as usinas térmicas apresentam, em geral como característica básica, um menor custo de construção, maior custo de operação e de manutenção, possibilidades de serem alocadas mais próximas do mercado consumidor e a possibilidade de operação a plena carga garantida (supondo-se não haver qualquer tipo de restrição à obtenção do combustível e excluindo os períodos de manutenção programada ou forçada). Em vista dos custos praticamente proibitivos do óleo combustível em países importadores de petróleo, as alternativas de geração térmica têm como principais opções as usinas nucleares, as térmicas a carvão e mais recentemente no Brasil as térmicas a gás natural. No caso de geração nuclear, as usinas normalmente são situadas o mais próximo possível dos locais de consumo com o objetivo de minimizar os custos da transmissão. Tais localizações dependem também dos aspectos de segurança e conservação ambiental. Como ocorre o transporte de energia elétrica O transporte de energia ocorre por variados segmentos da rede elétrica e são definidos com base na função que desempenham: - transmissão: são as redes que interligam a geração aos centros de carga. 7 sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840834/59/SistemaEletrico1.pdf 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 8 - interconexão: é a interligação entre sistemas independentes. O sistema elétrico8 Subtransmissão: rede para casos onde a distribuição não se conecta a transmissão, havendo estágio intermediário de repartição da energia entre várias regiões. Distribuição: rede que interliga a transmissão (ou subtransmissão)aos pontos de consumo sendo subdividida em distribuição primária (nível de média tensão - MT) ou distribuição secundária (nível de uso residencial). As tensões usuais de transmissão adotadas no Brasil, em corrente alternada, podem variar de 138 kV até 765 kV incluindo neste intervalo as tensões de 230 kV, 345 kV, 440 kV e 500 kV. Os sistemas ditos de subtransmissão contam com níveis mais baixos de tensão, tais como 34,5 kV, 69 kV ou 88 kV e 138 kV e alimentam subestações de distribuição, cujos alimentadores primários de saída operam usualmente em níveis de 13,8 kV. Junto aos pequenos consumidores existe uma outra redução do nível de tensão para valores entre 110 V e 440 V, na qual operam os alimentadores secundários. As redes com tensões nominais iguais ou superiores a 230 kV são denominadas de Redes em EHV - Extra Alta Tensão e no Brasil formam a chamada rede “Básica” de transmissão. As redes com tensões nominais iguais e entre 69 kV e 138 kV são denominadas Redes em AT –Alta Tensão. As redes com tensão nominal entre 1 kV e 69 kV são denominadas Redes em MT – Média Tensão (ou em Tensão Primária) e os sistemas com tensões abaixo de 1 kV formam as Redes em Baixa Tensão (ou em Tensão Secundária). No Brasil existe um sistema que opera em corrente contínua, o Sistema de Itaipu, com nível de tensão de ± 600 kVDC. Para se escolher transmissão entre sistemas de corrente alternada ou corrente contínua são feitos estudos técnicos e econômicos. Sistemas de corrente contínua começam a se mostrar viáveis para distâncias acima de 600 ~ 800 km. No caso de transmissão em corrente alternada, o sistema elétrico de potência é constituído basicamente pelos geradores, estações de elevação de tensão, linhas de transmissão, estações seccionadoras e estações transformadoras abaixadoras. Na transmissão em corrente contínua a estrutura é essencialmente a mesma, diferindo apenas pela presença das estações conversoras junto à subestação elevadora (para retificação da corrente) e junto à subestação abaixadora (para inversão da corrente) e ainda pela ausência de subestações intermediárias abaixadoras ou de seccionamento, As linhas de transmissão em corrente contínua apresentam custo inferior ao de linhas em corrente alternada enquanto que as estações conversoras ainda apresentam custo relativamente alto, portanto a transmissão em corrente contínua somente se mostra vantajosa em aplicações específicas como na interligação de sistemas com frequências diferentes ou para transmissão de energia a grandes distâncias. A necessidade de sistemas de transmissão em tensão superior à de geração e de distribuição se deve a impossibilidade de transmitir diretamente, mesmo em distâncias relativamente pequenas, a potência elétrica gerada nas usinas, pois as correntes seriam elevadas e as quedas de tensão e as perdas de potência na transmissão inviabilizariam técnica e economicamente as transmissões. Esse problema é tanto mais grave quanto maior for a distância de transmissão e quanto maior for a potência a ser transmitida. Com a elevação da tensão, a potência gerada nas usinas (que é função do produto da tensão pela corrente) pode ser transmitida com correntes inferiores às de geração, o que viabiliza a transmissão. Um fator importante na minimização dos custos de transmissão e de distribuição está ligado à escolha da seção dos cabos condutores das linhas, ou seja, de sua resistência ôhmica. Como o custo das linhas (e do sistema de transmissão) aumenta de forma linear com a seção condutora e as perdas ôhmicas (e, portanto, o seu custo) variam com o inverso da seção dos condutores, existe um ponto de mínimo custo, que corresponde a seção condutora ótima. Os consumidores, individualmente, requerem potências inferiores às transmitidas. Portanto, são previstas estações abaixadoras nas quais as tensões de transmissão são transformadas para níveis compatíveis com as cargas que vão alimentar regionalmente. Observa-se que as pequenas potências de distribuição transportadas por circuitos aéreos ou subterrâneos nas ruas ou avenidas são adequadas às baixas tensões, também por questões de segurança. Em resumo, sob o ponto de vista funcional e também operacional, a estrutura de um sistema elétrico pode ser dividida em várias subestruturas baseadas sobretudo nos seus diversos níveis de tensão: geração/ transmissão/ sub transmissão/ distribuição (primária e secundária). A energia tem tensão variável durante a geração, a transmissão e a distribuição: 8 sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840834/59/SistemaEletrico1.pdf 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 9 Estação geradora A energia elétrica pode vir de diferentes fontes. Nas hidrelétricas, a queda-d'água movimenta um gerador, que cria um campo magnético, produzindo corrente elétrica. Subestações de transmissão A energia sai da usina direto para estações de transmissão, onde passa por transformadores que aumentam sua voltagem. Em seguida, segue pelas linhas de alta tensão. Linhas de transmissão Torres de alta tensão levam a eletricidade por longas distâncias. Para reduzir as perdas energéticas durante a transmissão, ela é transportada em altíssima voltagem. Subestações de distribuição A eletricidade passa pelos transformadores de tensão nas subestações, que diminuem a voltagem dela. Só então segue pela rede de distribuição. Fiação dos postes A energia passa pelos transformadores de distribuição, que rebaixam a voltagem de novo. Depois, passa pela fiação - aérea ou subterrânea -, que a leva até as ruas. Consumidor final Nas tomadas de nossa casa, a energia está disponível para utilização no mesmo momento em que é gerada, fazendo funcionar equipamentos eletrônicos e interruptores. Manutenção de subestações e linhas de transmissão energizadas e não energizadas em tensão de transmissão e distribuição. Uma subestação de energia elétrica é a responsável pela distribuição de energia elétrica das usinas às casas das pessoas. É na subestação que a energia chega das usinas, em um nível muito elevado e inadequado para distribuição, e na sequência é transformada e rebaixada até um padrão que possa ser utilizada pelo consumidor. Por ser um ambiente que envolve muita tensão elétrica e é essencial para o dia a dia de indústrias, comércios, escolas, hospitais, residências e estabelecimentos em geral, a manutenção de subestação de energia elétrica é um trabalho de grande responsabilidade e que deve ser executado perfeitamente, sem margem para equívocos. O grau de dificuldade também deve ser considerado sempre que uma empresa for realizar a manutenção de subestação de energia elétrica. Isso porque em muitos casos, os próprios equipamentos que compõem as subestações não indicam claramente que exista um problema. Nestes casos, a experiência dos profissionais envolvidos e o uso de modernas técnicas e ferramentas são fundamentais. Também é necessário realizar uma limpeza geral da subestação, observando a conservação geral dos equipamentos e a presença de poeira em conexões elétricas e contatos. Medidas simples como as citadas podem retardar o desgaste dos mesmos e ainda evitar problemas de isolamento, comuns quando não há 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 10 uma manutenção eficaz. Outro ponto a ser analisado com atenção é o efeito causado pela umidade, poluentes urbanos e gases atmosféricos sobre a conexão elétrica, o que pode levar à deterioração com o tempo. Um bom trabalho de manutenção de subestação de energia elétrica deve medir periodicamente a temperatura dos equipamentos no local. Utilizando um termômetro de mira a laser, é possível identificar com precisão eventuais elevações, ou declínios, na temperatura da subestação. O procedimento é indicado para encontrar falhas elétricas e evitar paradas não planejadas, que sempre acabam gerando um alto valor à geradora de energia.Histórico As primeiras aplicações de caráter econômico de energia elétrica datam de 1870, aproximadamente, época em que as máquinas elétricas atingiram o estágio que permitiu seu uso na geração e na utilização de energia elétrica como força motriz em industrias e transportes. A iluminação pública, com lâmpadas de arco voltaico, apresentava-se como uma alternativa à iluminação a gás. Como energia primária, utilizava-se quase que exclusivamente máquinas a vapor estacionárias, ou locomoveis, queimando carvão ou lenha, em pontos próximos de sua utilização. Somente em 1882 é que foi constituída a primeira empresa destinada a gerar e vender energia elétrica, agora mais facilmente utilizável, em virtude da invenção da lâmpada incandescente por Thomas Edison. Foi o mesmo Edison o autor do projeto e o responsável pela instalação da usina da rua Pearl, em Nova Iorque, cujos dínamos eram acionados por máquinas a vapor. A rede de distribuição abrangia uma área de 1600m de raio em torno da usina. A energia fornecida, em 110 V de corrente contínua era para uso geral, abrangendo inicialmente a iluminação pública e residencial, além de umas poucas aplicações para força motriz. A aceitação foi imediata e o sistema exigiu novas adições. Isso só era possível com a construção de novas centrais, em virtude de limitações econômicas e técnicas impostas ao transporte de energia a distâncias maiores. Esse fato por si só, constituía-se em uma importante limitação ao uso de energia elétrica. O emprego da corrente alternada foi desenvolvido na França, com a invenção dos transformadores, permitindo o transporte econômico da energia elétrica, em potências maiores a distâncias maiores. Em maio de 1888, Nicola Tesla, na Europa, apresentou um artigo descrevendo motores de indução e motores síncronos bifásicos. O sistema trifásico seguiu-se logo com o desenvolvimento dos motores e geradores síncronos de indução. As vantagens sobre os sistemas de CC fizeram com que os sistemas de CA passassem a ter um desenvolvimento muito rápido. A primeira linha de transmissão de que se tem registro no Brasil, foi construída por volta de 1883, na cidade de Diamantina, Minas Gerais. Tinha por fim transportar a energia produzida em uma usina hidrelétrica, construída por duas rodas d’água e dois dínamos Grame, a uma distância de 2km, aproximadamente. A energia transportada acionava bombas hidráulicas em uma mina de diamantes. Consta que era a LT mais longa do mundo na época. Em 1901, com a entrada em serviço da central hidrelétrica de Santana do Parnaíba, a então San Paulo Tramway Light and Power Co. Ltd. Construiu as primeiras linhas de seu sistema de 40kV. Em 1914, com a entrada em serviço da usina hidrelétrica de Itupararanga, a mesma empresa introduziu o padrão 88kV, que até hoje mantém e adotou também para subtransmissão. Esse padrão de tensão foi, em seguida, adotada pela Companhia Paulista de Estradas de Ferro, Estrada de Ferro Sorocabana e, através desta, USELPA, hoje integrada ao sistema Cesp. Entre 1945 e 1947, foi construída a primeira linha de 230kV no Brasil, com um comprimento aproximado de 330km, destinada a interligar os sistemas Light Rio-São Paulo, operando inicialmente em 170kV e, passando, em 1950 a operar em 230kV. Foi também a primeira interligação em dois sistemas importantes no Brasil. Seguiram-se a partir daí, as linhas de 345kV da CEMIG e FURNAS, 460kV da CESP, as linhas de 500kV do sistema de FURNAS e 800kV do sistema ITAIPU. Manutenção Preventiva Diagnóstico completo da situação atual do sistema e seus equipamentos: Realizamos testes nos equipamentos da subestação (transformadores, disjuntores, painéis, chaves seccionadoras, etc) para verificar a condição de cada um deles, com o objetivo de determinar a necessidade de troca ou reforma. Também são realizados testes funcionais para checar a operação completa do sistema, detectando eventuais problemas de interfaces. Para estes testes, são utilizados os equipamentos de comissionamento. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 11 Execução de limpeza, inspeção visual, reaperto de todas as conexões e interligações. Nossa recomendação é que a manutenção preventiva seja realizada anualmente, para prever potenciais falhas e tomar as ações necessárias para evitar desligamentos. Além disso, quando a manutenção é realizada a vida útil dos equipamentos da subestação é aumentada, pois o desgaste causado por pontos de aquecimento, deterioração do óleo isolante nos transformadores e nos disjuntores, reduz drasticamente a vida útil dos equipamentos da subestação. Manutenção Corretiva Geralmente quando a manutenção corretiva de linhas de transmissão aéreas é caracterizada pela substituição do item danificado. Por exemplo, as vibrações eólicas podem ocasionar a ruptura do cabo seja ela na parte de sustentação que é a mais frequente, ou em algum ponto do lance do cabo. Para se corrigir isso terá que substituir o cabo rompido entre as torres onde foi ocasionado o problema. O vento também pode ocasionar a derrubada de torres de transmissão, e isto se agrava porque a torre que cai pode puxar várias outras em cascata, e neste caso também há a necessidade de substituição de torres e cabos condutores. Em casos onde há corrosão de partes metálicas, se não for controlada também possivelmente acarretará na substituição das peças corroídas. Isso pode acontecer tanto em cabos condutores quanto em estruturas. Acidentes aéreos e automobilísticos também são fatores que podem acionar as equipes de manutenção corretiva, pois na maioria das vezes estruturas e equipamentos são danificados, acarretando no reparo ou até mesmo na substituição dos mesmos. No caso de isoladores, o problema crítico é o vandalismo que ocorre nestes equipamentos, e pelo fato de não haver uma manutenção preventiva para este problema que desencadeia a substituição dos isoladores danificados. Citado na manutenção preventiva, a manutenção da área de servidão deve ser bem realizada e com uma certa periodicidade, porque o não cumprimento disto pode levar a uma ação corretiva que possivelmente será mais cara e complicada. Na manutenção corretiva existe um método bastante difundido que é a manutenção em linha viva. Compreende na manutenção da linha sem a necessidade do desligamento da mesma. Existem dois métodos que podem ser utilizados na transmissão: a) à distância: utiliza-se bastões de fibra de vidro endurecidos com resina no interior com diâmetro de 1 “. Pode ser considerada uma extensão do braço do operador. Existe uma distância de segurança entre o operador e o local da manutenção que varia de acordo com a classe de tensão porem limitada em 230kV; b) ao potencial: o operador fica no mesmo potencial da linha. É obrigatório o uso de equipamentos especiais como roupas e andaimes de fibra de vidro para isolação. Este método pode ser utilizado em linhas de até 750kV. ; Porém estes métodos são muito perigosos quando não utilizados com bastante responsabilidade por parte dos operadores. Resumindo quando se trata de manutenção corretiva em linhas de transmissão aéreas, os gastos despendidos e a complexibilidade da ação, torna a manutenção preventiva de vital importância para o sistema. Manutenção de linhas de transmissão No terreno: Evita a interferência da vegetação local na instalação de transmissão de energia e deixa os acessos à torre em condições para o trânsito de veículos. Essa manutenção segue normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), com relação à altura máxima da vegetação abaixo das linhas. Na torre: Deve ser feita para conservar a estrutura, contemplando aperto ou troca de parafusos, troca de isoladores, substituição de peças corroídas e retencionamento dos tirantes de aço que sustentam torres estaiadas. Nos isoladores e cabos condutores: Contemplam-se os isoladores e seus acessórios, os cabos para-raios e o correto funcionamentodos cabos condutores. Assim, corrigem-se os defeitos nos isoladores, espaçadores-amortecedores, cabos condutores e demais componentes da linha. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 12 As faixas de linhas de subtransmissão e transmissão caracterizam-se como locais com limitações no que se refere ao uso e ocupação. A ocupação adequada e a conservação das faixas de servidão e de segurança contribuem para garantir a plena operação, a execução dos serviços de manutenção, a maior rapidez na localização de anomalias nas linhas, bem como, a preservação do meio ambiente e a segurança de pessoas e bens em suas proximidades. O uso compartilhado desses locais depende de análises técnicas e de segurança estabelecidas nas normas técnicas brasileiras e especificações e procedimentos da concessionária de energia. A norma técnica NBR 5422 – Projeto de Linhas Aéreas de Transmissão de Energia Elétrica – Procedimento estabelece os critérios a serem observados para a convivência da linha de subtransmissão/transmissão com obstáculos e com a execução de atividades por terceiros na faixa de passagem e no seu entorno. No Brasil a GERAÇÃO de energia elétrica é 80% produzida a partir de hidrelétricas, 11% por termoelétricas e o restante por outros processos. A partir da usina a energia é transformada, em subestações elétricas, e elevada a níveis de tensão (69/88/138/240/440 kV) e transportada em corrente alternada (60 Hertz) através de cabos elétricos, até as subestações rebaixadoras, delimitando a fase de Transmissão. Já na fase de Distribuição (11,9 / 13,8 / 23 kV), nas proximidades dos centros de consumo, a energia elétrica é tratada nas subestações, com seu nível de tensão rebaixado e sua qualidade controlada, sendo transportada por redes elétricas aéreas ou subterrâneas, constituídas por estruturas (postes, torres, dutos subterrâneos e seus acessórios), cabos elétricos e transformadores para novos rebaixamentos (110 / 127 / 220 / 380 V), e finalmente entregue aos clientes industriais, comerciais, de serviços e residenciais em níveis de tensão variáveis, de acordo com a capacidade de consumo instalada de cada cliente. Quando falamos em setor elétrico, referimo-nos normalmente ao Sistema Elétrico de Potência (SEP), definido como o conjunto de todas as instalações e equipamentos destinados à geração, transmissão e distribuição de energia elétrica até a medição inclusive. Conforme definição dada pela ABNT através das NBR (Normas Brasileiras Regulamentadoras), considera-se “baixa tensão”, a tensão superior a 50 volts em corrente alternada ou 120 volts em corrente contínua e igual ou inferior a 1000 volts em corrente alternada ou 1500 volts em corrente contínua, entre fases ou entre fase e terra. Da mesma forma considera-se “alta tensão”, a tensão superior a 1000 volts em corrente alternada ou 1500 volts em corrente contínua, entre fases ou entre fase e terra. Transmissão de Energia Elétrica Basicamente está constituída por linhas de condutores destinados a transportar a energia elétrica desde a fase de geração até a fase de distribuição, abrangendo processos de elevação e rebaixamento de tensão elétrica, realizados em subestações próximas aos centros de consumo. Essa energia é transmitida em corrente alternada (60 Hz) em elevadas tensões (138 a 500 kV). Os elevados potenciais de transmissão se justificam para evitar as perdas por aquecimento e redução no custo de condutores e métodos de transmissão da energia, com o emprego de cabos com menor bitola ao longo das imensas extensões a serem transpostas, que ligam os geradores aos centros consumidores. Atividades características do setor de transmissão: Inspeção de Linhas de Transmissão Neste processo são verificados: o estado da estrutura e seus elementos, a altura dos cabos elétricos, condições da faixa de servidão e a área ao longo da extensão da linha de domínio. As inspeções são realizadas periodicamente por terra ou por helicóptero. Manutenção de Linhas de Transmissão • Substituição e manutenção de isoladores (dispositivo constituído de uma série de “discos”, cujo objetivo é isolar a energia elétrica da estrutura); • Limpeza de isoladores; • Substituição de elementos para-raios; • Substituição e manutenção de elementos das torres e estruturas; • Manutenção dos elementos sinalizadores dos cabos; • Desmatamento e limpeza de faixa de servidão, etc. Construção de Linhas de Transmissão • Desenvolvimento em campo de estudos de viabilidade, relatórios de impacto do meio ambiente e projetos; • Desmatamentos e desflorestamentos; 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 13 • Escavações e fundações civis; • Montagem das estruturas metálicas; • Distribuição e posicionamento de bobinas em campo; • Lançamento de cabos (condutores elétricos); • Instalação de acessórios (isoladores, para-raios); • Tensionamento e fixação de cabos; • Ensaios e testes elétricos. Salientamos que essas atividades de construção são sempre realizadas com os circuitos desenergizados, via de regra, destinadas à ampliação ou em substituição a linhas já existentes, que normalmente estão energizadas. Dessa forma é muito importante a adoção de procedimentos e medidas adequadas de segurança, tais como: seccionamento, aterramento elétrico, equipotencialização de todos os equipamentos e cabos, dentre outros que assegurem a execução do serviço com a linha desenergizada (energizada). Distribuição de Energia Elétrica É o segmento do setor elétrico que compreende os potenciais após a transmissão, indo das subestações de distribuição entregando energia elétrica aos clientes. A distribuição de energia elétrica aos clientes é realizada nos potenciais: • Médios clientes abastecidos por tensão de 11,9 kV / 13,8 kV / 23 kV; • Clientes residenciais, comerciais e industriais até a potência de 75 kVA (o abastecimento de energia é realizado no potencial de 110, 127, 220 e 380 Volts); • Distribuição subterrânea no potencial de 24 kV. Existem quatro tipos de redes de distribuição de energia elétrica. São eles: • Rede de Distribuição Aérea Convencional: É o tipo de rede elétrica mais encontrado no Brasil, na qual os condutores são nus (sem isolamento). Exatamente por isso, essas redes são mais susceptíveis à ocorrência de defeitos (curto-circuitos), principalmente quando há contato de galhos de árvores com os condutores elétricos. • Rede de Distribuição Aérea Compacta: Surgidas no Brasil na década de 1990, as redes compactas são muito mais protegidas que as redes convencionais, não somente porque os condutores tem uma camada de isolação, mas porque a rede em si ocupa bem menos espaço, resultando em menor número de perturbações. • Rede de Distribuição Aérea Isolada: Esse tipo de rede é bastante protegida, pois os condutores são encapados com isolação suficiente para serem trançados. Geralmente mais cara, essa rede é utilizada em condições especiais. • Rede de Distribuição Subterrânea: A rede subterrânea é aquela que proporciona o maior nível de confiabilidade e também o melhor resultado estético, dado que as redes ficam enterradas. No entanto, as redes subterrâneas são bem mais caras que as demais soluções, sendo comuns apenas em regiões muito densas ou onde há restrições para a instalação das redes aéreas. Com relação às redes de iluminação pública (IP), que também podem ser do tipo aéreo ou subterrâneo, são redes que derivam das redes de distribuição das concessionárias. Apesar disso, a operação e a manutenção das redes de IP são de responsabilidade das prefeituras municipais. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 14 Manutenção com a linha desenergizada “linha morta” Todas as atividades envolvendo manutenção no setor elétrico devem priorizar os trabalhos com circuitos desenergizados. Apesar de desenergizadas devem obedecer a procedimentose medidas de segurança adequado. Somente serão consideradas desenergizadas as instalações elétricas liberadas para serviços mediante os procedimentos apropriados: seccionamento, impedimento de reenergização, constatação da ausência de tensão, instalação de aterramento temporário com equipotencialização dos condutores dos circuitos, proteção dos elementos energizados existentes, instalação da sinalização de impedimento de energização. Manutenção com a linha energizada “linha viva” A técnica de linha viva foi desenvolvida nos Estados Unidos, permitindo a realização de procedimentos em sistemas energizados por meio da utilização de equipamentos diferenciados e capazes de proteger o usuário contra descargas e choques elétricos. Em geral, os trabalhos com linha viva são divididos entre três categorias principais: método ao contato, método à distância e método ao potencial. Método ao contato O método ao contato consiste na realização de tarefas em que o eletricista entra em contato direto com o condutor energizado protegido através da utilização de cestos aéreos, andaimes, escadas e plataformas isoladas, além de coberturas isolantes, estando equipado com luvas e mangas de borracha. A aplicação desse método está baseada no princípio da dupla proteção, ou seja, se houver falha de uma proteção o eletricista poderá contar com uma segunda. Este método é utilizado para trabalhos em redes convencionais em tensões até 34,5 kV e para trabalhos em redes compactas em tensões de 13,8 kV. Método à distância O método à distância consiste em afastar os condutores de sua posição normal na estrutura, com o auxílio de bastões de elevação e executar as tarefas através de bastões manuais com ferramentas de encaixe universal instaladas em suas extremidades. Nota: Os métodos de trabalho ao contato e à distância têm como premissa básica que, ao se trabalhar em um condutor, as partes aterradas e os condutores com risco de contato com o condutor em que se está trabalhando devem estar adequadamente isolados, através de coberturas apropriadas. Método ao potencial Aplicado em altas tensões, em que o trabalhador precisa se manter mais afastado da superfície energizada. Para isso, são utilizadas vestimentas antichamas. Operação de disjuntores e seccionadores de tensão de transmissão e distribuição. Dia a dia cresce o número de aparelhos eletroeletrônicos instalados na rede elétrica. Já não há mais uma divisão nítida entre o que é de eletrônica e o que é de eletricidade doméstica. Conhecer o básico das instalações elétricas se tornou primordial para saber lidar com imprevistos que possam surgir. Na engenharia elétrica, a instalação elétrica é a matéria que lida com a transferência da energia elétrica proveniente de uma fonte geradora de energia (como um gerador ou uma usina hidrelétrica), sua transformação e seus pontos de utilização (como a tomada, um interruptor ou a lâmpada fluorescente). A instalação elétrica envolve as etapas do projeto e da implementação física das ligações elétricas, que garantirão o fornecimento de energia em determinado local. A energia elétrica que recebemos em nossa casa, numa linguagem simples, é transportada por ondulações da corrente elétrica que vai e vem pelos condutores, impulsionada pelo que denominamos de tensão elétrica. Isso quer dizer que a tensão varia continuamente, mudando de polaridade 120 vezes por segundo, de modo que, 60 vezes, a cada segundo, ela empurra a corrente num sentido e 60 vezes, no mesmo segundo, ela puxa a corrente no sentido oposto, alternadamente. Daí a denominação corrente alternada. Representando isso por um gráfico, teremos semiciclos positivos quando a corrente é empurrada e semiciclos negativos quando a corrente é puxada; algo como se ilustra a seguir. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 15 Para que uma corrente elétrica possa circular por um aparelho que seja ligado a esses condutores de energia, ela precisa de um percurso completo (circuito fechado), ou seja, de ida e volta, o que significa que um só fio não pode alimentar nenhum aparelho. Temos de usar dois fios, entre os quais a tensão elétrica ou diferença de potencial muda alternadamente de polaridade. Um desses fios, por motivo de segurança, a própria Companhia Elétrica coloca em contato mais íntimo possível com o solo (chão, terra). Dos dois fios da rede elétrica, aquele que não apresenta nenhuma diferença de potencial com o solo (porque está intimamente ligado com ele) é denominado subjetivamente de retorno, neutro ou terra. O outro, para diferenciação, é denominado de fase ou vivo. Como aqueles que manuseiam os aparelhos estão permanentemente em contato com a terra (assim como um dos fios da rede), é prudente que as partes metálicas do aparelho que possam ser tocadas, sejam aquelas ligadas ao fio neutro ou terra. Desse modo, como não há diferença de potencial, não haverá riscos de choques elétricos (passagem de corrente elétrica pelo corpo e suas consequências). Curtos e fusíveis. Evidentemente, antes do primeiro acesso que temos a esses fios condutores de energia elétrica, a empresa coloca um medidor de energia elétrica ou de consumo de energia. O "relógio da luz", como é popularmente conhecido, mede os quilowatts-horas consumidos que correspondem à quantidade de energia fornecida. Em outra oportunidade abordaremos como calcular esses consumos domiciliares. O medidor só funciona quando a corrente circula, ou seja, quando algum aparelho é ligado e exige com isso, a circulação de uma corrente que lhe forneça energia. Observe que, se houver alguma deficiência na instalação de energia que provoque um "escape" de corrente, por exemplo, um fio desencapado encostado num ferro da estrutura da casa, conforme exemplo da figura a seguir, a corrente circulante acionará o medidor que registrará um consumo indevido. De uma maneira mais simples, podemos dizer que se trata de um "vazamento" de energia pelo qual o usuário paga sem saber, pois toda a corrente que passa pelo "relógio" é registrada, determinando o consumo de energia. Isso é algo análogo ao uso de uma mangueira d'água para regar uma planta, mas que apresenta algum furo em sua extensão. Após o relógio, encontramos um conjunto de dispositivos de proteção que podem ser fusíveis comuns ou disjuntores. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 16 Os fusíveis comuns são ligas metálicas que "queimam" (fundem-se) quando a corrente ultrapassa um valor considerado perigoso para a instalação. A intensidade máxima da corrente que pode passar por um fio é determinada basicamente pelo material de que ele é feito e por sua espessura. Nas ligações com fios de cobre com determinada espessura, se a corrente ultrapassar um certo valor, a quantidade de calor produzida pode ser exagerada, a ponto de afetar a integridade da capa plástica do fio. Se essa capa derreter, com a perda do isolamento, o perigo se torna maior, pois pode ocorrer um curto-circuito. Assim, a função do fusível é queimar, interrompendo assim a circulação da corrente, caso sua intensidade se tome perigosa a ponto de colocar em risco a integridade da instalação. Se o fusível não queimar, por ocasião de um surto extra de corrente, a instalação e todos os aparelhos (em funcionamento) ligados a ela serão percorridos por esse surto de corrente. Disjuntores Os disjuntores têm a mesma finalidade que os fusíveis comuns, se bem que funcionem de modo um pouco diferente. Consistem, basicamente, numa chave que desliga automaticamente quando a intensidade da corrente alcança o valor para o qual é projetado. Vale a pena desmontar um deles para uma análise criteriosa de seu funcionamento. A vantagem do disjuntor em relação ao fusível é que o disjuntor simplesmente "desarma", interrompendo a corrente quando ela se torna perigosa, enquanto que o de fio fusível queima. Umavez que a causa do excesso de corrente tenha sido eliminada, o fusível precisa ser trocado por outro novo, enquanto o disjuntor é simplesmente rearmado. Fusíveis em d.c. Nos circuitos DC, alimentados por pilhas ou baterias os fusíveis também têm sua atuação como protetores. Nos automóveis, por exemplo, há um bom conjunto de fusíveis protegendo as mais variadas partes. Os rádios e toca-fitas também devem ser protegidos mediante fusíveis. Em muitos desses rádios, o circuito interno não tem qualquer contato com a carcaça do aparelho, por isso, além dos fios que vão aos alto-falantes, aparecem em destaque os fios de alimentação: vermelho (+) e preto (-). O vermelho deve ser ligado ao positivo da bateria (regra geral para os veículos modernos) e o preto ao chassis do veículo. Nas instalações que utilizam fusíveis existem também chaves que permitem desligar os diversos setores da instalação, para o caso de necessidade de manutenção, reparos ou alterações. Observe que é desse local que a distribuição de energia pela residência é feita. Distribuição da energia O normal numa residência é termos três circuitos de distribuição. Estes circuitos podem fornecer tensões de 110 V e 220 V ou somente uma delas, conforme a instalação. Partindo da chave principal aonde chegam os três fios, observamos que a partir deles podemos obter duas tensões. Cada fio vivo extremo está ao potencial elétrico de 110 V e têm como terra comum o fio do meio, ou seja, ele é o neutro para os dois fios vivos extremos. Interruptores Os interruptores são ligados em série com as lâmpadas, ou seja, a corrente que passa pelo interruptor é a mesma que passa pela lâmpada. Se o fio interrompido for o vivo, nas partes metálicas do soquete da lâmpada teremos apenas neutro, ou seja, elementos com o mesmo potencial de nosso corpo e que, portanto, não podem dar choque mesmo que toquemos neles. Evidentemente, isso não se aplica a uma lâmpada alimentada por 220 V, onde temos os dois fios vivos. Outros dispositivos são as tomadas de energia que alimentam diversos tipos de dispositivos. Essas são conectadas nos diversos pontos da instalação, conforme as necessidades. Podemos ter numa instalação tomadas especiais de 220 V conectadas aos pontos em que existe essa tensão. TERMOS MAIS UTILIZADOS: -TERRA, NEUTRO, MASSA E FASE: Em diversos pontos neste tópico, onde analisamos a estrutura básica de uma instalação elétrica, falamos nos quatro termos acima, mostrando aos leitores que existem "estados" ou níveis de potenciais elétricos que caracterizam de forma bem distinta os fios ou os pontos de uma instalação em que os dispositivos externos são ligados. As definições com as explicações mais detalhadas dos termos usados são dadas a seguir: 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 17 TERRA - O solo terrestre é um semicondutor de eletricidade. Em certas situações, qualquer corpo que esteja em conexão com a terra terá o potencial desta, ou seja, não haverá diferença de potencial entre eles (corpo e terra), de modo que, não haverá circulação de corrente de um para o outro. Se um corpo estiver carregado ou sob um potencial diferente da terra, ao ser colocado em contato com ela, ele se descarrega. Em outras palavras, adquire o mesmo potencial elétrico que a Terra que, por convenção é de 0 volts. Isso esclarece porque o usuário da rede elétrica, ao tocar pontos da rede que estão interligados com a terra, não toma choque. Isso significa que a ligação de um objeto à terra é a garantia de que ele não vai causar choque se for tocado. A barra de terra de uma instalação elétrica é para garantir que, em caso de interrupção dos fios ou problemas na instalação teremos um dos condutores ligado à terra. NEUTRO - Um dos condutores de energia da empresa distribuidora é ligado à terra. No local onde a energia elétrica é gerada, ao longo das torres de distribuição, nas subestações e nos transformadores de rua há uma ligação desse condutor até o solo. Esse condutor é denominado de neutro. Na maioria das instalações ele está no mesmo potencial da terra (caso em que ambos podem ser confundidos), mas existem casos em que um defeito na instalação, como por exemplo, uma interrupção de um fio, torna o potencial do neutro diferente do potencial do terra, caso em que choques podem ocorrer. Quando o neutro e o terra apresentam potenciais elétricos diferentes dissemos que houve um "mau aterramento". MASSA - Se o neutro ou o terra for ligado a um chassi de um aparelho de modo que esse chassi de metal sirva como um condutor de corrente, esse chassi será chamado de massa. Na maioria dos casos, a MASSA de um aparelho coincide com o terra e o neutro, o que significa que se for tocada nada acontece em termos de choque. No entanto, existem aparelhos em que a MASSA não é obrigatoriamente terra ou neutro. Existem televisores, por exemplo, em que um dos fios da rede de energia é ligado ao chassi e ele não é necessariamente o neutro. Desta forma, a MASSA desses televisores pode estar com um potencial de 110 V ou 220 V em relação à Terra, podendo assim causar choques em quem nele tocar. FASE - O condutor isolado da Terra e que apresenta potencial elétrico em relação a ela é denominado de fio fase. Evidentemente, se com os pés no chão, tocarmos nesse condutor, tomaremos choque. Seccionadores Permitem o ligamento o ligamento ou o desligamento de uma carga. Trata-se de um dispositivo de manobra mecânico, que assegura, na posição aberta, uma distância de isolamento que satisfaça requisitos de segurança específicos. Ele permite que se abra ou feche um circuito, em duas hipóteses de grande importância: 1. Quando a corrente estabelecida ou interrompida for desprezível; 2. Quando não puder se constatar a variação significativa na tensão entre terminais de cada um de seus polos. Outra importante função do seccionador é a condução de correntes em condições normais de circuito, podendo conduzir por tempo especificado, as correntes em condições anormais do circuito, além daquelas de curto-circuito. Inspeção em subestações e linhas de transmissão de tensão e Levantamentos de dados técnicos em subestações e linhas de transmissão em tensão de transmissão e distribuição. A atividade de manutenção em linhas de transmissão é regulamentada pelo ONS, que estabeleceu procedimentos de rede para padronizar a operação e oferecer serviço de fornecimento de energia elétrica nos níveis e padrões de qualidade e confiabilidade requeridos pelos consumidores. Segundo o órgão, o terreno onde está instalada a torre de transmissão, a torre de transmissão em si e os isoladores e cabos condutores são os três componentes principais a serem vistoriados em uma linha de transmissão. São inspecionadas as fundações das torres (corrosão e desbarramentos das fundações), peças faltantes na estrutura (vandalismo), situação da vegetação na faixa de servidão da linha (proximidade dos cabos), situação das cadeias de isoladores (isoladores quebrados) e integridade dos cabos. Há três formas básicas de se fazer a manutenção dos componentes principais indicados pelo ONS: a corretiva, a preventiva e a preditiva. Na corretiva, como o próprio nome já indica, a manutenção procura consertar algum componente da linha que sofreu algum dano. É o tipo de manutenção que deve ser evitado ao máximo, porque pode causar problemas de fornecimento de energia no centro consumidor. Acontece, em geral, devido a fenômenos naturais, como vendavais e tempestades. A manutenção preventiva prevê a substituição de componentes da linha que necessitam de troca em intervalos de tempo regulares e predeterminados. É mais utilizada para definir a manutenção anual que deve ocorrer nas linhas. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 18 O terceiro tipo de manutenção, a preditiva, é o mais comum, consistindo na verificação visual ou por intermédio de equipamentosespeciais, da necessidade de manutenção em determinados componentes. Incluem-se nesses serviços: aperto, troca ou regulagem de parafusos, medições de ruído elétrico e de resistência do aterramento, bem como medições de campo elétrico que podem resultar na troca de diversos componentes como cabos para-raios, isoladores, conversores e outros. A manutenção da vegetação por meio da poda de árvores também se encaixa na manutenção preditiva. As inspeções periódicas são feitas de forma terrestre e aérea. Na terrestre, o inspetor da concessionária (ou da empresa contratada para tal fim) vai até a torre e verifica a situação, tanto da estrutura como também da cadeia de isoladores e dos cabos dos vãos (espaço entre duas torres) adjacentes. Na inspeção aérea, feita com helicóptero, verifica- se principalmente a situação dos cabos e da cadeia de isoladores. Em caso de constatação de algum problema, as equipes de manutenção são acionadas para a solução, antes que ocorra falha no sistema. Outro fator que deve ser levado em consideração em relação à manutenção de linhas de transmissão é a sua realização em linhas vivas (energizadas). Não é necessária a interrupção do fornecimento de energia elétrica, mas as equipes que fazem esse tipo de manutenção devem ser bem treinadas e seguir procedimentos de segurança rígidos. Alguns acessórios são fundamentais, como roupa metálica especial condutiva, bota condutiva, bastões e escadas feitos de fibra de vidro e resina epóxi. A roupa metálica do eletricista é equipotencializada com a tensão da linha e se transforma numa gaiola de Faraday, garantindo o campo elétrico zero em seu interior, onde se encontra o técnico. Linhas de Transmissão Para que a energia chegue às residências, hospitais, escolas, comércios e indústrias, ela precisa ser transportada de sua fonte geradora por meio de linhas de transmissão. Passando de ponto em ponto, a energia elétrica percorre milhares de quilômetros em corrente alternada, até chegar a seu destino final. Funcionamento: A primeira etapa é a geração de energia: no Brasil, quase 70% da energia elétrica é produzida por hidrelétricas (como Itaipu) que a transmite por meio de cabos de alta resistência. Para tal, é preciso que uma altíssima tensão elétrica seja gerada, evitando desperdícios ao longo do caminho. Esta energia em alta voltagem viaja pelos fios da rede elétrica, passando por torres e subestações de energia que, por sua vez, adequam a voltagem para o consumidor final. As subestações enviam esta energia até as cidades, através da fiação elétrica que passa pelos postes que vemos nas ruas. Independente do processo utilizado pela usina para gerar energia elétrica, o processo sempre resultará na produção de corrente elétrica alternada. Contudo nem sempre a tensão gerada pela usina é suficiente para que essa energia seja transmitida até os centros de consumo, isso ocorre devido o fato de os fios por onde ela será conduzida possuírem resistência causando assim perdas durante a transmissão. Temos que a perda total de energia em um condutor elétrico é dada por: P = R.I², sendo P as perdas no condutor, R a resistência do condutor e I a corrente elétrica que passa pelo condutor. Note que a resistência do fio é constante, visto que a rede de distribuição não sofre alterações ou adaptações frequentemente, isso nos leva a afirmar que uma forma de se reduzir as perdas no condutor é reduzindo a corrente que passa por ele. A potência produzida por um gerador em uma central de geração de energia é dado por: Pot = V.I, sendo Pot a potência produzida pelo gerador elétrico, V a tensão produzida por ele e I a corrente elétrica produzida por ele. Já vimos que quanto menor for a corrente na linha de transmissão, menor é a perda. Agora temos que quanto maior a potência produzida pelo gerador maior é a disponibilidade de energia para consumo. Dessa forma temos que para que o gerador produza o máximo de energia e as perdas de energia durante a transmissão sejam mínimas a corrente elétrica deve ser mínima e a tensão elétrica deve ser máxima. Nem sempre um gerador atende a essas exigências, por esse motivo um transformador é inserido entre o gerador e a linha de transmissão. O gerador fornece a potência para o transformador que por sua vez vai elevar a tensão e abaixar a corrente, e só então liberar a energia para a linha de transmissão. Em geral a tensão em uma linha de transmissão de alta tensão está na faixa de 300.000V. Nessas estações a energia passa por transformadores que reduzem a tensão da linha de transmissão para uma mais baixa, porém ainda mais alta que utilizada em casa. É só quando a energia está nas linhas de transmissão do bairro que transformadores instalados nos postes reduzem a tensão da linha para a tensão 110V que sua TV utiliza ou o 220V que seu chuveiro necessita. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 19 Transformador responsável por baixar a tensão da linha de distribuição.É na saída de desse transformador que encontrasse a tensão 110V que utilizamos para ligar nossos aparelhos eletrônicos em casa (tensão 220V é uma combinação de dois cabos com 110V As redes de distribuição As redes de distribuição são compostas por linhas de alta, média e baixa tensão. Como vimos acima, as linhas de transmissão com tensão igual ou superior a 230 kV constituem a chamada rede básica. Apesar de algumas transmissoras também possuírem linhas com tensão abaixo de 230 kV, as chamadas Demais Instalações da Transmissão (DIT), grande parte das linhas de transmissão com tensão entre 69 kV e 138 kV são de responsabilidade das empresas distribuidoras. Essas linhas são também conhecidas no setor como linhas de subtransmissão. Além das redes de subtransmissão, as distribuidoras operam linhas de média e baixa tensão, também chamadas de redes primária e secundária, respectivamente. As linhas de média tensão são aquelas com tensão elétrica entre 2,3 kV e 44 kV, e são muito fáceis de serem vistas em ruas e avenidas das grandes cidades, frequentemente compostas por três fios condutores aéreos sustentados por cruzetas de madeira em postes de concreto. As redes de baixa tensão, com tensão elétrica que pode variar entre 110 e 440 V, são aquelas que, também afixadas nos mesmos postes de concreto que sustentam as redes de média tensão, localizam- se a uma altura inferior. As redes de baixa tensão levam energia elétrica até as residências e pequenos comércios/indústrias por meio dos chamados ramais de ligação. Os supermercados, comércios e indústrias de médio porte adquirem energia elétrica diretamente das redes de média tensão, devendo transformá-la internamente para níveis de tensão menores, sob sua responsabilidade. O transporte é realizado por linhas de transmissão até uma subestação que fica geralmente na periferia dos centros urbanos e finalmente a energia é distribuída na cidade ou região com uma tensão um pouco elevada até o ponto de consumo. A energia elétrica durante todo este percurso passa por vários transformadores que elevam e abaixam a tensão até chegar ao ponto de consumo. Eventualmente há, empresas que possuem e precisam um consumo maior de energia podem possuir uma pequena subastação. Levantamento de Dados A função básica do levantamento de dados é a coleta de informações, que é indispensável para a caracterização das linhas de transmissão, para fins orçamentários. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 20 Os dados coletados, por intermédio dos meios magnéticos apropriados, devem espalhar cada tipo de levantamento de dados com o melhor grau de precisão possível, de modo que possa abranger esses grupos de informações: Levantamento de dados – quantidades Levantamento de custos – materiais Levantamento de custos – construção e gerais. As medições deverão ser entregues pelos Agentes nos pontos indicados pelo ONS, por meio de rede de telecomunicaçõesestabelecida especificamente para este fim. (b) Deverá ser mantido o índice de SLA (Service Level Agreement) em 99,98%, de modo a garantir a máxima disponibilidade e qualidade de entrega do dado aos concentradores no ONS. É interessante observar como se dá o impacto das perdas para o projeto executivo da transmissão e as formas de se minimizar esse problema com o objetivo de equacionar o projeto técnico com a análise econômica de vida ´útil da linha de transmissão. As empresas responsáveis pela execução dos serviços emergenciais em redes de distribuição de energia elétrica devem admitir que a realidade do serviço contém particularidades que o diferem das outras atividades industriais, e até mesmo das outras atividades em redes de distribuição. Qualquer sistema de prevenção que busque, efetivamente, a redução dos acidentes nessas empresas deve partir do reconhecimento da realidade das condições ambientais de insegurança, para então procurar combater as variáveis dos fatores ambientais de maior contribuição para o acidente. Apesar da crescente participação de outras fontes de geração de energia elétrica, a matriz hidráulica ainda compõe significativa parcela dos projetos de expansão. O Brasil possui no total 4.648 empreendimentos em operação, totalizando 150.616.021 kW de potência instalada. Está prevista para os próximos anos uma adição de 25.129.641 kW na capacidade de geração do País, proveniente dos 212 empreendimentos atualmente em construção e mais 631 em Empreendimentos com Construção não iniciada. Conversores de Frequência Conversores de frequência ou inversores de frequência nada mais são que dispositivos elétricos que convertem a potência da rede alternada senoidal, em potência contínua e por fim convertem esta última em uma tensão de amplitude e período variáveis. Na entrada de um conversor de frequência encontramos o bloco retificador, o circuito intermediário que é composto de um banco de capacitores eletrolíticos e circuitos de filtragem de alta frequência e o bloco inversor. Os conversores de frequência são utilizados em motores elétricos de indução trifásicos. Eles têm a finalidade de substituir os rústicos sistemas de variação de velocidades mecânicos e os motores de corrente contínua. Costumam também atuar como dispositivos de proteção para os mais variados problemas de rede elétrica que se pode ocorrer, como desbalanceamento entre fases, sobrecarga, queda de tensão, etc. Usualmente, os conversores são montados em painéis elétricos. Podem trabalhar em interfaces com computadores, centrais de comando, e conduzir, simultaneamente, dezenas de motores, dependendo do porte e tecnologia do dispositivo. A corrente do motor é que dimensionará os conversores. O dimensionamento pela potência do motor pode também ser feita, entretanto, a corrente é a principal grandeza elétrica limitante no dimensionamento. Devemos ter atenção a outros aspectos da aplicação, durante o dimensionamento, como por exemplo, demanda de torque (constante ou quadrático), precisão de controle, partidas e frenagens bruscas ou em intervalos curtos ou muito longos, regime de trabalho, e outros aspectos particulares de cada aplicação. Quando o acionamento elétrico não exige variação da velocidade do motor, querendo-se apenas uma partida mais suave, de forma que limite-se a corrente de partida evitando assim quedas de tensão da rede de alimentação, costuma-se utilizar soft-starters. Falaremos mais sobre os soft-startes nos tópicos seguintes. Os conversores de frequência têm uma vasta aplicação na indústria de máquinas e processos em geral. Com a capacidade inerente de variar a velocidade de motores elétricos trifásicos de Corrente Alternada, permitem aos projetistas, desenvolver máquinas que sem os mesmos, seriam praticamente Inversores de frequência, chaves estáticas de partida suave, contadores, disjuntores-motor, multimedidores de grandezas elétricas, capacitores. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 21 impossíveis de serem fabricadas. Os conversores de frequência de última geração, não somente controlam a velocidade do eixo de motores elétricos trifásicos de corrente alternada, como também, controlam outros parâmetros inerentes ao motor elétrico, sendo que um deles, é o controle de Torque. Atualmente, os conversores de frequência são dotados de poderosas CPUs ou placas de controle microprocessadas, que possibilitam uma infindável variedade de métodos de controle, expandindo e flexibilizando o uso dos mesmos. Modernas técnicas de chaveamento da forma de onda de tensão e também da frequência aplicada sobre o estator do motor elétrico, permitem o controle com excelente precisão, sobre o eixo do motor. Uma das técnicas mais conhecidas é o PWM ou "Pulse Width Modulation". Tais técnicas são sempre aliadas ao modelamento matemático preciso do motor elétrico. Os conversores de última geração, fazem medições precisas e estimativas dos parâmetros elétricos do motor, de modo a obter os dados necessários para o modelamento e consequente controle preciso do motor. Os Conversores de Frequência são dispositivos dotados comumente de uma ponte retificadora trifásica a diodos. Fonte: www.rtechequipamentos.com.br CLP CLP é a sigla para Controlador Lógico Programável e nada mais é do que um equipamento digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais. O NEMA (National Eletrical Manufacturers Associatian) o define como: aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenamento interno de instruções para implementações específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem aritmética, através de módulos de entrada e saída, vários tipos de máquinas ou processos. Um CLP é o controlador indicado para lidar com sistemas caracterizados por eventos discretos (SEDs), ou seja, com processos em que as variáveis assumem valores zero ou um (ou variáveis ditas digitais, ou seja, que só assumem valores dentro de um conjunto finito). Podem ainda lidar com variáveis analógicas definidas por intervalos de valores de corrente ou tensão elétrica. As entradas e/ou saídas digitais são os elementos discretos, as entradas e/ou saídas analógicas são os elementos variáveis entre valores conhecidos de tensão ou corrente. Num sistema típico, toda a informação dos sensores é concentrada no controlador (CLP) que de acordo com o programa em memória define o estado dos pontos de saída conectados a atuadores. A capacidade de comunicação dos CLPs se dá pelos canais seriais. Isso permite que sejam supervisionados por computadores formando sistemas de controle integrados. Softwares de supervisão controlam redes de Controladores Lógicos Programáveis. É através dos canais de comunicação que a conexão a interface de operação (IHM) é permitida. Caberá a cada fabricante estabelecer um protocolo para fazer com que seus equipamentos troquem informações entre si. Os protocolos mais comuns são Modbus (Modicon - Schneider Eletric), EtherCAT (Beckhoff), Profibus (Siemens), Unitelway (Telemecanique - Schneider Eletric) e DeviceNet (Allen Bradley), entre muitos outros. Redes de campo abertas como MODBUS-RTU são de uso muito comum com CLPs permitindo aplicações complexas na indústria automobilística, siderúrgica, de papel e celulose, e outras. 1597503 E-book gerado especialmente para CRISTIANE SELL DOS SANTOS DE MORAES 22 A história do CLP Ele foi idealizado pela necessidade de poder se alterar uma linha de montagem sem que tenha de fazer grandes modificações mecânicas e elétricas. Seu surgimento está ligado à indústria automobilística. Inicialmente o CLP era visto como um equipamento que reunia as seguintes características: 1. Facilidade de programação; 2. Facilidade de manutenção com conceito plug-in; 3. Alta confiabilidade; 4. Dimensões menores que painéis de Relés, para redução de custo 5. Preço competitivo;
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