Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA W B A 04 61 _v 1. 0 2 Bruno César Couto Nolepa Londrina Editora e Distribuidora Educacional S.A. 2020 GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA 1ª edição 3 2020 Editora e Distribuidora Educacional S.A. Avenida Paris, 675 – Parque Residencial João Piza CEP: 86041-100 — Londrina — PR e-mail: editora.educacional@kroton.com.br Homepage: http://www.kroton.com.br/ Presidente Rodrigo Galindo Vice-Presidente de Pós-Graduação e Educação Continuada Paulo de Tarso Pires de Moraes Conselho Acadêmico Carlos Roberto Pagani Junior Camila Braga de Oliveira Higa Carolina Yaly Giani Vendramel de Oliveira Juliana Caramigo Gennarini Nirse Ruscheinsky Breternitz Priscila Pereira Silva Tayra Carolina Nascimento Aleixo Coordenador Nirse Ruscheinsky Breternitz Revisor Ary Santana Editorial Alessandra Cristina Fahl Beatriz Meloni Montefusco Gilvânia Honório dos Santos Hâmila Samai Franco dos Santos Mariana de Campos Barroso Paola Andressa Machado Leal Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) __________________________________________________________________________________________ Nolepa, Bruno César Couto N791g Geração, transmissão e distribuição de energia elétrica/ Bruno César Couto Nolepa, – Londrina: Editora e Distribuidora Educacional S.A. 2020. 42 p. ISBN 978-65-86461-23-7 1. Energia Elétrica.2. Geração de energia I. Nolepa, Bruno César Couto. Título. CDD 621.31 ____________________________________________________________________________________________ Jorge Eduardo de Almeida CRB: 8/8753 © 2020 por Editora e Distribuidora Educacional S.A. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação, sem prévia autorização, por escrito, da Editora e Distribuidora Educacional S.A. 4 SUMÁRIO Geração de energia elétrica _________________________________________ 05 Transmissão de energia elétrica ____________________________________ 18 Distribuição de energia elétrica _____________________________________ 30 Modelagem e projetos de sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia ______________________________________________ 42 GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA 5 Geração de energia elétrica Autoria: Bruno César Couto Nolepa Leitura crítica: Ary Paixão Borges Santana Junior Objetivos • Conhecer os componentes da geração de energia elétrica. • Compreender os fundamentos da geração de energia proveniente de usinas hidroelétricas, termoelétricas e eólicas. • Descrever o funcionamento de usinas de geração de energia elétrica. 6 1. Geração de energia elétrica A energia elétrica tem um papel significativo no desenvolvimento econômico e produtivo de uma região. Ao longo dos anos, esse serviço tornou-se praticamente naturalizado devido à alta dependência que a sociedade atual possui em relação à energia elétrica. Tanto a operação das fábricas e dos sistemas de comunicação quanto o fornecimento de alimentação, conforto, segurança e entretenimento às pessoas dependem diretamente da eletricidade. Embora ainda haja pessoas no Brasil que não têm acesso à energia elétrica, esse número diminuiu consideravelmente em 2003, com o programa “Luz para todos” do Governo Federal (BARROS, 2014), a partir do qual o sistema elétrico brasileiro recebeu investimentos para interligar extensas regiões com linhas de transmissão, aumentando seu alcance. Se o consumo de energia elétrica atualmente já é expressivo, com a popularização de carros elétricos e o previsível aumento de dispositivos eletrônicos atuando com a internet das coisas, a tendência é que esse consumo aumente. Por isso e por um apelo de caráter ambiental, cada vez mais se tem intensificado uma preocupação global com os impactos e custos da geração dessa energia. Neste material, você irá estudar a etapa da Geração de Energia Elétrica, tendo como base as principais fontes de geração, seus fundamentos e seus equipamentos que compõem o Sistema Elétrico de Potência no Brasil. 1.1 Fundamentos O setor elétrico está em constante desenvolvimento e no futuro sofrerá ainda mais mudanças, incentivadas por questões ambientais e de 7 mercado, o que acarreta novas políticas de desenvolvimento tecnológico no setor (REIS, 2015). Há variações quanto à organização dos sistemas elétricos no mundo, devido às diferenças na matriz elétrica1, mas em geral todo o Sistema Elétrico de Potência é dividido em Geração, Transmissão, Distribuição, Comercialização e Consumo de Energia Elétrica, como descrito na Figura 1. Figura 1 – Descrição do Sistema Elétrico de Potência Fonte: Blume (2007, p. 4). O sistema elétrico pode ser interligado ou isolado. No caso do Brasil, ele é altamente interligado, chamado de Sistema Interligado Nacional (SIN), com exceção apenas para parte da região Norte, dividida pela Floresta Amazônica, devido à distância envolvida (BARROS, 2014). Na rede interligada, caso uma usina seja impedida de injetar energia elétrica na rede, a carga pode ser atendida por outras usinas, a fim de evitar interrupção no abastecimento, sendo essa é uma das principais vantagens no sistema interligado. Naturalmente, há uma disparidade entre a distribuição espacial e temporal das cargas em relação à disponibilidade geográfica dos recursos de geração, também por isso são utilizados sistemas interligados. 1 Conceitualmente, matriz energética engloba fontes de energia no geral, e matriz elétrica considera as fon- tes que são utilizadas para energia elétrica somente. 8 O sistema interligado é projetado para que, mesmo ocorrendo uma falha na geração ou transmissão, não haja o desabastecimento de todo o sistema, já que ele deve conseguir desligar estágios localizados da rede (BARROS, 2014). Em outras palavras, uma falha pode afetar outras regiões, mas os prejuízos e o alcance das falhas são minimizados. Por fatores geográficos ou econômicos, nem sempre os sistemas interligados conseguem atender a toda a população, e esse é um dos motivos que leva à construção de sistemas isolados para atender a locais não cobertos pelos sistemas interligados, pelo menos como solução temporária. O planejamento centralizado de geração normalmente consiste em um sistema de geração de grande porte, localizado a certa distância dos centros consumidores, o que exige grandes obras de transporte (REIS, 2015): a. Para a transmissão da energia gerada em hidrelétricas: as linhas de alta tensão que conectam a Usina Hidrelétrica de Itaipu ao estado de São Paulo por mais de 800 km, por exemplo. b. Para combustíveis em sistemas termelétricos: por gasodutos, transporte ferroviário, marítimo, entre outros. Já o planejamento descentralizado de geração, visando ao abastecimento local e próximo às cargas, consiste em projetar Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs), sistemas solares e eólicos, exemplifica Reis (2015). O autor ainda ressalta o conceito de cogeração, que é a geração simultânea de outra forma de energia além da elétrica, sendo, por isso, uma aliada na busca por eficiência energética (REIS, 2015). As tomadas de decisão contemplam principalmente aspectos financeiros, mas têm levado em conta também fatores ambientais e sociais. Ambos os tipos de planejamento se aplicam a sistemas isolados; entretanto, o planejamento centralizado costuma ser aplicado em sistemas interligados. 9 A geração distribuída é a geração de energia elétrica de pequeno porte, direcionada a um consumidor final específico próximo. Esse tipo de geração, embora dispense grandes investimentos com transporte, possui outras limitações, o que pode torná-lo inviável financeiramente (REIS, 2015). Outra característicaimportante na geração de energia elétrica é quanto à fonte adotada, se é classificada como renovável ou como não renovável. As fontes da geração hidrelétrica, solar e eólica são renováveis, pois são renovadas pela natureza e, assim, estão em consonância com a sustentabilidade. Já as termelétricas podem adotar fontes renováveis, como a biomassa, que é oriunda de rejeitos ou materiais orgânicos, ou as fontes não renováveis, encontradas de maneira finita na natureza, como o carvão mineral, o gás ou os derivados de petróleo. Essa classificação está apresentada na Figura 2 a seguir. Figura 2 – Classificação das fontes renováveis e não renováveis Fonte: elaborada pelo autor. 10 Cada fonte possui vantagens e desvantagens que devem ser conhecidas pelo profissional que atua na área de planejamento ou operação da geração de energia elétrica. Sendo assim, elas serão discutidas ao longo deste material. 1.2 Hidrelétricas A geração hidrelétrica é uma das melhores, mais baratas e limpas fontes de energia, mesmo considerando as adversidades sociais e ambientais envolvidas na construção de barragens e reservatórios (PINTO, 2014). Isso porque as usinas hidrelétricas possuem baixa manutenção e costumam ter vida útil longa, mais de 100 anos. Ao aproveitar a energia cinética da água para convertê-la em energia potencial mecânica capaz de acionar o conjunto turbina-rotor-gerador, gera a energia elétrica. Entre as fontes renováveis, é a mais popular para a geração de eletricidade. As turbinas hidráulicas são uma das formas mais eficientes de conversão de energia, chegando a 90% de eficiência (ANEEL, 2002). Embora não seja a forma de geração mais utilizada no mundo, é a forma mais comum no Brasil, visto que possuímos um dos maiores potenciais hídricos do mundo por meio das bacias dos rios Amazonas, Tocantins, Paraná e São Francisco (PINTO, 2014). Quanto ao potencial de capacidade de geração, a ANEEL (2002) classifica as usinas hidrelétricas em: • CGH – Central Geradora Hidrelétrica: até 1 MW. • PCH – Pequena Central Hidrelétrica: entre 1 e 30 MW. • UHE – Usina Hidrelétrica de Energia: maior que 30 MW. 11 Alguns aspectos de projeto interferem no rendimento das hidrelétricas, sendo eles o potencial de geração, a altura de queda d’água e a vazão, esta última controlada quando há barragens e reservatórios. Com base nesses aspectos, existem diferentes tipos de turbinas, sendo as principais organizadas conforme apresentado no Quadro 1. Quadro 1–Descrição dos principais tipos de turbinas para hidrogeradores Modelo de Turbina Aplicação indicada Aspecto construtivo Funcionamento Pelton Elevado desnível de queda d’água. Conchas ao redor do rotor. Válvula para controlar a injeção de água e manter a rotação constante. Francis Quedas d’água na faixa de 40 a 400 m. Pode ser instalada na posição vertical ou horizontal. O escoamento da água em seu interior é perpendicular ao eixo da máquina. Kaplan Menor queda d’água, na faixa de 20 a 50 m. A água atinge as hélices e movimentam o eixo ligado ao gerador. Considerada uma evolução da turbina Francis. Bulbo Reduzida queda d’água ou “fio d’água”, até 20 m. Infraestrutura de turbina e gerador compacta. É uma configuração da turbina Kaplan. Fonte: baseado em Barros (2014) e Pinto (2014). Figura 3 – Turbina hidráulica: a) Pelton; b) Francis; c) Kaplan a) 12 b) c) Fonte: Envinergy (2020). Além das turbinas, outros componentes formam o sistema hidrelétrico de geração, tais como as estruturas hidráulicas, que incluem a barragem; o vertedouro; o reservatório; e as comportas d’água (PINTO, 2014). De acordo com Pinto (2014), na operação de uma usina hidrelétrica, existem dois fenômenos que merecem atenção: • Cavitação: é a vaporização da água quando esta está sujeita a altas velocidades e, por consequência, a baixas pressões. • Golpe de aríete: é um pico de pressão, devido à abrupta interrupção do escoamento de um líquido a partir do fechamento de uma válvula (REIS, 2015). 13 1.3 Termelétricas A termelétrica utiliza o calor produzido na queima de combustíveis em caldeiras para obter energia potencial mecânica capaz de mover a turbina. A usina termelétrica tem um funcionamento muito similar à usina hidrelétrica e, como todas as fontes descritas neste material, pertence à fase de geração no sistema elétrico. As fontes para esse sistema podem ser não renováveis, tais como óleo diesel ou outros derivados do petróleo, carvão mineral, gás natural e urânio enriquecido, como também podem ser renováveis, tais como a biomassa e o bagaço de algumas plantas (PINTO, 2014). Além de a maioria das fontes de uma termelétrica ainda ser não renovável, outros impactos indesejáveis no meio ambiente são o uso abundante de água para resfriamento dos equipamentos e a poluição atmosférica que algumas fontes causam, com efeitos negativos sobre a saúde humana e a vegetação da região (ANEEL, 2002). Entre os combustíveis menos poluentes da matriz termelétrica brasileira, em relação aos gases do efeito estufa, estão a biomassa e a energia nuclear (BARROS, 2014), por isso o Brasil é considerado um país pouco poluente quando comparado a outros países. Visando a um projeto ainda mais consciente em relação ao meio ambiente, no Brasil, já se utilizam resíduos urbanos (lixo) como fonte de termelétricas (REIS, 2015). Os aterros Bandeirantes e São João estão localizados na cidade de São Paulo e, como todo aterro, geram naturalmente biogás na degradação dos resíduos lá destinados. Assim, por meio de um sistema de coleta, condução, tratamento e compressor, esses aterros produzem energia elétrica na queima do biogás (MMA, 2020). Nesse tipo de projeto, além da geração de energia elétrica, o objetivo também é o tratamento de resíduos. A energia elétrica é gerada por meio da incineração dos resíduos ou ainda pela queima do gás metano, que é resultado da decomposição anaeróbica de lixo doméstico ou resíduos de propriedades rurais na criação de animais. 14 Madeira em forma de lenha, carvão vegetal ou toras podem gerar uma grande quantidade de resíduos que podem ser aproveitados na geração de energia elétrica, porém o custo do transporte destes até a usina pode inviabilizar essa geração. Em contrapartida, o estado de São Paulo é o maior produtor nacional de cana-de-açúcar, e o fato de centralizar os processos de produção em extensões contínuas beneficia o aproveitamento do bagaço da cana para queima na termelétrica, barateando o processo de geração de energia (ANEEL, 2002), o que pode ser uma solução para a produção de eletricidade na região. 1.4 Nuclear Assim como nas termelétricas, a energia nuclear também é obtida pelo vapor produzido a partir do calor da queima de um combustível. A diferença da fonte nuclear é que o processo de fissão do urânio no reator para gerar o calor é bem mais complexo que a queima de um combustível, como óleo diesel ou biogás (ANEEL, 2002). Essa complexidade envolvida também reflete na segurança e nos custos com o destino dos rejeitos nucleares, o que faz essa fonte não estar entre o grupo das mais promissoras no mundo todo. O Brasil possui as usinas Angra I, Angra II e Angra III, com as duas primeiras em operação. Entretanto, a energia nuclear também não é vista como uma fonte presente de forma massiva no futuro do Brasil, porque, além de sermos o país que possui o melhor potencial de fontes renováveis do mundo, para a nossa economia, esse tipo de geração não é o mais rentável (PINTO, 2014). 1.5 Sistemas solares A energia elétrica gerada por meio da luz solar (fotovoltaica) é obtida por meio do processo de conversão de fótons contidos na luz solar, 15 realizado pelas células solares. Essa conversão depende de condições atmosféricas, de latitude local e do dia e da hora do ano, fatores que interferem na radiação solar (ANEEL, 2002). A região Nordeste é a que possui os maiores índices de radiação solar no Brasil, mas outras regiões tambémapresentam um grande potencial energético. Entre as vantagens da energia solar, podemos destacar (PINTO, 2014): • É uma energia limpa, inclusive com processos controlados na fabricação dos equipamentos em relação à poluição. • Necessitam de pouca manutenção. • Com a popularização dos sistemas, os painéis têm se tornado mais potentes e econômicos. • Como a sua infraestrutura não é muito complexa, a produção se justifica em locais próximos ao consumo, minimizando custos com a transmissão. Os sistemas solares podem ser implementados de três formas: • Totalmente isolado. • Convertendo a energia produzida em desconto na fatura da concessionária, que é o mais comum para adesão voluntária. • Híbrido: além do desconto na fatura, existe um banco de baterias para armazenar a energia produzida. Isso faz com que o consumidor não fique sem energia em períodos de pouca ou nenhuma incidência solar, só pague para a concessionária as taxas obrigatórias e consiga manter um crédito com ela sempre que a produção exceder o consumo. 16 1.6 Sistemas eólicos A energia eólica é obtida por meio da energia cinética contida nas massas de ar em movimento, por meio da utilização de turbinas eólicas, os chamados aerogeradores (ANEEL, 2002). É importante ressaltar que as condições ideais de vento para a produção de energia elétrica só estão presentes em cerca de 13% do território mundial, e o Brasil faz parte dessa pequena parcela privilegiada. O sistema de energia eólica é, além de renovável, pouco poluidor, o que fez com que esse tipo de geração tenha ganhado muita visibilidade nos últimos anos. No Brasil, esse era considerado um modelo construtivo custoso quando comparado à hidroeletricidade, porém ele se expandiu com o apoio do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA), instituído pelo Governo Federal, em 2004, o que auxiliou na fabricação de tecnologia para os parques eólicos brasileiros (BARROS, 2014). Em países como Alemanha, Estados Unidos, Espanha, Dinamarca, Índia e Holanda, existem grandes fazendas eólicas, e lá, quando comparado a outras fontes de energia, a energia eólica tem um custo mais atrativo (REIS, 2015). Assim como as outras fontes renováveis de energia, a eólica é uma fonte que está em pleno crescimento no Brasil e no mundo. Estudos técnicos estão cada vez mais avançados para obter o máximo de rendimento na geração de energia, bem como na eficiência energética do sistema como um todo. A relação custo-benefício é uma constante quando se fala em investimento em infraestrutura. Porém, mais do que isso, é muito importante aproveitar os recursos da matriz energética existente na região e buscar soluções com cogeração e aproveitamento consciente das fontes, sendo esse o futuro para a geração de energia. 17 Referências Bibliográficas ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Atlas de energia elétrica do Brasil. Brasília: ANEEL, 2002. BARROS, B. F. de. Geração, transmissão, distribuição e consumo de energia elétrica. São Paulo: Érica, 2014. BLUME, S. W. Electric Power System Basics for the Nonelectrical Professional. New Jersey: IEEE PRESS, 2007. ENVINERGY Conseil & Transaction. Hidroeletric Power Plants, 2020. Disponível em: https://www.envinergy.com/hydroelectric-plant-operation-s789.html. Acesso em: 18 jan. 2020. IEA. International Energy Agency. Data and Statistics. 2017. Disponível em: https:// www.iea.org/data-and-statistics. Acesso em: 15 jan. 2020. MMA. Ministério do Meio Ambiente. Aproveitamento energético do biogás de aterro sanitário. 2020. Disponível em: https://mma.gov.br/cidades-sustentaveis/ residuos-solidos/politica-nacional-de-residuos-solidos/aproveitamento-energetico- do-biogas-de-aterro-sanitario.html. Acesso em: 26 jan. 2020. PINTO, M. O. Energia elétrica: geração, transmissão e sistemas interligados. Rio de Janeiro: LTC, 2014. REIS, L. B. dos. Geração de energia elétrica. 2. ed. Barueri: Editora Manole, 2015. 18 Transmissão de energia elétrica Autoria: Bruno César Couto Nolepa Leitura crítica: Ary Paixão Borges Santana Junior Objetivos • Conhecer os fundamentos e componentes da transmissão de energia elétrica. • Compreender as características dos tipos de linha de transmissão de energia. • Compreender a necessidade dos diferentes níveis de tensão, bem como os aspectos regulatórios de linhas de transmissão. 19 1. Transmissão de energia elétrica A transmissão de energia elétrica é parte do sistema elétrico de potência, normalmente composto pelas etapas de geração, transmissão e distribuição (GTD). Embora haja formas de geração de energia que se encontrem próximas aos consumidores, em sistemas isolados, a maioria da operação de GTD no Brasil precisa levar a energia gerada pelas usinas por longas distâncias até chegar aos consumidores. Os sistemas isolados correspondem a cerca de 0,6% no país, de acordo com o Anuário Estatístico de Energia Elétrica (EPE, 2019). Em sistemas interligados, como o adotado em grande parte do Brasil, chamado de Sistema Interligado Nacional (SIN), há certa complexidade em garantir que a energia gerada esteja disponível para o consumidor final com um mínimo de perdas, atendendo a requisitos de segurança, de qualidade, de confiabilidade e financeiros. Os sistemas interligados têm como principal objetivo democratizar o acesso à energia elétrica nas diversas regiões do país, inclusive nos grandes centros consumidores e naqueles que possuem escassez de recursos para geração de energia. As linhas de transmissão têm seu desempenho analisado quanto aos indicadores de disponibilidade e à taxa de interrupções, calculando o percentual de tempo disponível e o número de desligamentos por 100 km de linha por ano, para avaliar se a operação é satisfatória (BARROS, 2014). Em regiões muito afastadas dos pontos de geração ou com obstáculos no percurso, são utilizados os sistemas isolados, principalmente na região Norte. No entanto, o que se tem observado é um aumento na extensão da área coberta pelo SIN, como mostra a Figura 1. 20 Figura 1 – Evolução da abrangência das linhas de transmissão no Brasil Fonte: adaptada de Eletrobrás (2018). As linhas de transmissão no Brasil operam sob a responsabilidade de concessionárias que participaram de leilões públicos. Elas, então, são responsáveis por implantar e operar a rede que liga as usinas aos centros de cargas, que na prática são as instalações das companhias distribuidoras, sendo sua qualidade de serviço aferida por meio de indicadores de disponibilidade do sistema de transmissão. 21 1.1 Transmissão em CA e transmissão em CC A transmissão de energia elétrica pode ocorrer em Corrente Alternada (CA) ou em Corrente Contínua (CC), e, embora seja mais comumente encontrada a transmissão em CA, as linhas CC possuem características importantes a serem conhecidas. A primeira linha de transmissão CA foi instalada nos Estados Unidos em 1889. Mesmo em 1890, já com discussões sobre transmitir em CC, o fato de a CA conseguir transmitir alta-tensão em longas distâncias fez com que se tornasse o padrão na época. Somente na década de 1950 surgiram as válvulas de mercúrio, capazes de transmitir alta-tensão com custo viável em longas distâncias por corrente contínua, dando origem aos sistemas HVDC (High Voltage Direct Current), que operam no mundo todo (PINTO, 2014). Os sistemas HVDC, também conhecidos como CCAT (Corrente Contínua em Alta Tensão), avançaram ao longo do tempo por meio da eletrônica de potência e de dispositivos semicondutores e hoje são mais vantajosos que os sistemas em CA em transmissões subterrâneas ou submarinas, com a interligação de sistemas com diferentes frequências, quando há necessidade de controle do fluxo de energia com uma rápida resposta ou em grandes distâncias (REIS; SANTOS, 2014). De acordo com a Itaipu (2020), no Brasil, para interligar essa usina do lado paraguaio, que opera com uma frequência de 50 Hz, com a subestação de Ibiúna, em São Paulo,no padrão brasileiro de 60 Hz, é utilizada uma rede CCAT com capacidade de transmissão contínua de 6300 MW, em cerca de 600 kV, um recorde de tensão operativa no período de seu lançamento, em 1984. Entre as vantagens de cada transmissão, Pinto (2014) e Reis e Santos (2014) destacam: 22 • Transmissão CC: • Ausência de fenômenos como indutância e capacitância, que geram perdas ao sistema. • Consequentemente, equações menos complexas para controlar o sistema, por manipular grandezas constantes. • Ausência de problemas de instabilidade na linha. • Maior transmissão de potência por condutor. • Menores perdas por efeito corona e menor radiointerferência. • Melhor desempenho transitório. • Maior confiabilidade. • Não afeta níveis de curto-circuito. • Sua vantagem econômica se dá, principalmente, por não necessitar de estações intermediárias e por utilizar menos condutores, dois ou até mesmo um; se o fio terra for usado como retorno, o custo das torres de sustentação é reduzido. • Transmissão CA: • Motores com alimentação CA têm custo menor. • A alimentação CA permite a utilização de transformadores de tensão e de correntes. • A transformação CA CC é mais barata e simples que o contrário, bem como a manutenção nas subestações. • A potência pode ser gerada em altas-tensões. 23 Pinto (2014) também apresenta algumas desvantagens da transmissão CC, como a quantidade de potência reativa ser relativamente alta nas estações conversoras; a manutenção dos isoladores ter a necessidade de ser mais frequente; as perdas adicionais nos transformadores conversores; a necessidade de refrigeração eficiente para dissipar o calor do sistema; e os componentes tiristores de alta potência apresentarem um custo considerável. Em geral, as linhas de transmissão operam por meio da tecnologia FACTS (Flexible AC Transmission Systems) ou HVDC, e, como muitas vezes a decisão é tomada seguindo fatores econômicos, adotou-se um comparativo que tem sido utilizado no mundo todo: se o sistema necessitar de uma linha de transmissão maior que a distância de 600 km, utiliza-se a linha CC; se for menor, a CA é mais econômica (PINTO, 2014). A tendência é que a transmissão por CCAT aumente, já que é algo mundial, por estarem sendo projetadas usinas de geração de energia distantes dos grandes centros consumidores, seja por disponibilidade de recursos de geração por meio de hidrelétricas ou termelétricas, ou por escassez de fontes de geração em determinadas localidades. Uma alternativa é aproveitar a mesma infraestrutura já existente em CA e, por meio dos mesmos cabos condutores, operar em CC. Isso faz com que o sistema aumente sua potência, e, como justificativa, não seria necessário construir novas linhas, o que impactaria em mais tempo e em obtenção de novas licenças ambientais. 1.2 Fundamentos e componentes da transmissão de energia elétrica As linhas de transmissão são constituídas por condutores de fase, torres que sustentam os condutores, cabos para-raios e isoladores, e seu circuito pode ser simples, duplo ou múltiplo. Para o processo de elevação e abaixamento das tensões, são necessários os transformadores. 24 As torres de transmissão são empregadas para suportar os condutores distantes do solo e existem em várias características construtivas, já que podem ser empregados feixes com um, dois ou mais condutores e consequentemente existir um ou dois cabos para-raios. Quanto à disposição dos condutores, eles podem ser dispostos em plano ou lençol horizontal, vertical ou triangular. No modelo horizontal, sua vantagem é exigir menor altura de torre, sendo normalmente usados em circuito simples. Na disposição em plano ou lençol vertical, são usados quando o espaço pede limitação na largura, como em vias públicas, adotando circuitos simples e duplos. Já na disposição triangular, sua vantagem é exigir menor altura de torre, aceitando circuitos simples e duplos. Quanto ao material, as torres podem ser de concreto, alumínio, madeira, aço e até de plástico reforçado. Dependendo das características do solo em que ficarão fixadas, elas podem ter quatro tipos de fundação, com estacas, sapatas, grelhas e tubulões (PINTO, 2014). Os isoladores atuam no isolamento entre os potenciais de fase e a terra e sustentam mecanicamente os cabos. Já os para-raios estão em todas as torres, localizados acima de cada uma, aterrados no solo, e são essenciais para que descargas atmosféricas não danifiquem, em cascata, a linha de transmissão (LT), as subestações e seus equipamentos (BARROS, 2014). As esferas de cor laranja, que são vistas no cabo para- raios, servem para sinalizar ao tráfego aéreo a presença de linha de transmissão. 1.3 Níveis de tensão e tipos de linha Para conseguir vencer as grandes distâncias na transmissão de energia elétrica, é necessário que o sistema aumente consideravelmente a tensão na LT. Ao considerar a resistência intrínseca nos cabos, que aumenta conforme a distância, e uma mesma potência P, tensão U e 25 corrente I, da relação P = U x I, percebemos que para manter a potência é necessário aumentar a tensão, porque aumentar a corrente impactaria em um condutor de maior seção, exigindo mais da infraestrutura de sustentação das torres. A tensão que sai da usina é elevada a uma faixa que varia de 88 kV a 750 kV e, ao chegar às subestações das distribuidoras, é rebaixada para o consumidor final a 127v ou 220v. Nos casos em que as indústrias operam entre 2,3 kV a 88 kV, elas recebem eletricidade por meio da rede de subtransmissão, que vem direto da subestação da distribuidora (ANEEL, 2008). As tensões padronizadas no Brasil são (PINTO, 2014): • Para transmissão em CA: 750, 500, 230, 123 e 69 kV. • Para subtransmissão em CA: 138, 69 e 34,5 kV. • Para transmissão em CC: 600 e 800 kV. Pinto (2014) também apresenta a classificação quanto ao comprimento das LTs: • Linhas de transmissão longas: maiores que 249 km. • Linhas de transmissão médias: entre 80 e 249 km. • Linhas de transmissão curtas: menores que 80 km. Denomina-se de Rede Básica a infraestrutura de linhas de transmissão e subestações de tensão igual ou superior a 230 kV. Já as instalações das empresas de transmissão que operam em tensão inferior a 230 kV são chamadas de Demais Instalações de Transmissão (DIT), como descreve Barros (2014). 26 Os materiais utilizados nos condutores para obter melhor eficiência e economia nas transmissões mudaram ao longo dos últimos anos. O cobre foi massivamente utilizado até que o aço e o alumínio combinados passaram a oferecer melhores características de operação, com um preço que se tornou competitivo (PINTO, 2014). Para comparar os tipos de linha de transmissão, analisemos a Tabela 1. Tabela 1–Descrição dos principais tipos de linhas de transmissão Classificação dos condutores Descrição física Característica relevante AAC (All Aluminium Conductor) Composto por vários condutores de alumínio encordoados. - AAAC (All Aluminium Alloy Conductor) Composto por ligas de alumínio de alta resistência. Menor relação peso- carga de ruptura. Menores flechas. Maior resistência elétrica entre os citados. ACSR (Aluminium Conductor Steel- Reinforced) ou CAA (Cabos de Alumínio com Alma de Aço) Camadas concêntricas de alumínio sobre uma alma de cabo de aço galvanizado. Suporta um ou mais condutores. Resistência mecânica fornecida pela alma de aço. ACAR (Aluminium Conductor, Aliminium Alloy Reinforced) Camadas concêntricas de alumínio sobre uma alma de condutores de alumínio de alta resistência. Ligeiramente maior relação peso-carga de ruptura que o ACSR. Maior capacidade máxima de corrente elétrica no condutor. Fonte: adaptada de Pinto (2014). Barros (2014) exemplifica que nas linhas de transmissão aéreas costuma-se utilizar condutores nus de alumínio, por ser um material com boas características físicas e menor preço. Já nas transmissões subterrâneas, são mais utilizados os cabos de cobre, e, quandose faz necessário, por causa de obstáculos no ambiente, são utilizados cabos submarinos, por exemplo, isolados em Polietileno Reticulado (XLPE). 27 A partir das necessidades e especificidades de cada projeto, há variação na escolha dos tipos das linhas de transmissão, sendo a grande parte das linhas no Brasil do tipo ACSR (CAA). 1.4 Regulação de linhas de transmissão Os aspectos legais no projeto de transmissão de energia elétrica são regidos pelas diretrizes da NBR-5422 (ABNT, 1985), bem como pelos “Procedimentos de Rede”, elaborados pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), em que são descritos requisitos elétricos, mecânicos e eletromecânicos (BARROS, 2014), como descrito no esquema da Figura 3. Figura 3 – Requisitos documentados em “Procedimentos de Rede”, do ONS Fonte: adaptada de Barros (2014). 28 Como as concessionárias são responsáveis pela disponibilidade e qualidade do sistema de transmissão em que operam, elas estão sujeitas a aferições, conforme Resolução Normativa ANEEL n. 729, de 2016, que define dois fatores de impacto financeiro: PV e RAP (ANEEL, 2016): • Parcela Variável (PV): é um desconto na receita da empresa em função da não prestação adequada do serviço público de transmissão. • Receita Anual Permitida (RAP): é um acréscimo na receita anual da empresa que apresenta desempenho excelente, com recursos provenientes exclusivamente da Parcela Variável. A ANEEL (2016) considera para os cálculos de PV e RAP fatores de indisponibilidade como: atraso na entrada em operação, desligamento programado, outros desligamentos, padrão de frequência de outros desligamentos e ainda a intervenção de urgência. O Artigo 4º da Resolução Normativa n. 729 apresenta: A qualidade do serviço público de transmissão de energia elétrica será medida com base na disponibilidade e na capacidade operativa das instalações de transmissão, devendo o período da indisponibilidade e o período e a magnitude da restrição da capacidade operativa serem apurados pelo ONS para cada evento com duração igual ou superior a 1 (um) minuto (..). (ANEEL, 2016, p. 3) Nesse artigo, são apresentados as penalidades em decorrência dos fatores de indisponibilidade, os cálculos necessários e os detalhes de aplicação da lei e/ou ressalvas, com o objetivo de garantir qualidade da prestação de um serviço tão necessário para o país e para a população em geral. Além de cumprir com os aspectos legais, a área de transmissão de energia deve estar preparada para evoluir sempre, em função dos novos 29 modelos de geração e/ou de consumo de eletricidade. As transmissões, no Brasil e no mundo, passarão por modernização, principalmente no que tange às redes inteligentes e ao compartilhamento de infraestrutura com redes de dados. Nesses aspectos, os diferentes materiais e configurações impactam no melhor convívio de diferentes tecnologias, principalmente sob a ótica de interferências eletromagnéticas, custos, segurança e qualidade de operação. Referências Bibliográficas ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT NBR 5422: projeto de linhas aéreas de transmissão de energia elétrica. Rio de Janeiro, ABNT, 1985. ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Atlas de energia elétrica do Brasil. Brasília: ANEEL, 2008. ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Resolução Normativa n. 729. Brasília: ANEEL, 2016. BARROS, B. F. de. Geração, transmissão, distribuição e consumo de energia elétrica. São Paulo: Érica, 2014. ELETROBRÁS. Mapas do Sistema Elétrico Brasileiro. Brasília: Eletrobrás, 2018. ITAIPU. Geração. 2020. Disponível em: https://www.itaipu.gov.br/energia/geracao. Acesso em: 16 fev. 2020. EPE. Empresa de Pesquisa Energética. Anuário Estatístico de Energia Elétrica - ano-base 2018. Rio de Janeiro: EPE, 2019. PINTO, M. O. Energia elétrica: geração, transmissão e sistemas interligados. Rio de Janeiro: LTC, 2014. REIS, L. B. dos; SANTOS, E. C. Energia elétrica e sustentabilidade: aspectos tecnológicos, socioambientais e legais. 2. ed. Barueri: Manole, 2014. 30 Distribuição de energia elétrica Autoria: Bruno César Couto Nolepa Leitura crítica: Ary Paixão Borges Santana Junior Objetivos • Compreender os conceitos que orientam a distribuição de energia elétrica. • Reconhecer os componentes presentes na distribuição da energia elétrica. • Conhecer os principais mecanismos de proteção dos sistemas de energia elétrica. 31 1. Distribuição e consumo de energia As empresas de distribuição de energia compram grandes quantidades de energia das empresas geradoras e recebem essa energia por meio da infraestrutura das empresas transmissoras. Sua prestação de serviço consiste em manter a rede de distribuição e as instalações técnicas operando até chegar aos consumidores da região em que atua (GRIMONI; GALVÃO; UDAETA, 2004). Embora as etapas de geração e transmissão não possuam interferência direta dos consumidores, na etapa de distribuição, existem variações quanto à entrega de energia que alteram a configuração do sistema. Das linhas de transmissão, a energia chega em alta tensão nas Estações Transformadoras de Distribuição (ETDs), e lá seus níveis de tensão são abaixados, para que então a energia possa ser distribuída. Esse processo é sempre necessário, já que os níveis são elevados para alta-tensão durante a etapa de transmissão, a fim de minimizar as perdas (BARROS, 2014). Ainda na fase de distribuição, visando atender os consumidores menores, como os residenciais, além dessas subestações, também se faz necessário o uso de transformadores nos postes, para que os níveis de tensão fiquem compatíveis com os principais consumidores. Estes, por sua vez, possuem hábitos e características em suas cargas que definem a modalidade de transmissão, estando entre elas a quantidade de fases e o modelo tarifário. A curva de carga, ou demanda, também deriva das características consumidoras e é definida como o valor médio de potência consumida em um intervalo de tempo. Essa medida é importante para demonstrar o consumo ao longo de um dia, uma semana, um mês ou um ano, com destaque para a variação e os picos de consumo, que impactam na prestação do serviço das distribuidoras (GRIMONI; GALVÃO; UDAETA, 2004). 32 A curva de carga do Sistema Interligado Nacional (SIN) está descrita no gráfico da Figura 1. Figura 1 – Carga real de consumo no SIN no dia 01/02/2020 Fonte: adaptada de ONS (2020) A região destacada no gráfico da Figura 1 é conhecida como “período de ponta” ou “hora de ponta”, que é um período que compreende a máxima demanda registrada no dia. A medição foi realizada pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), em um dia típico de verão. A curva de carga no Brasil pode variar de região para região e conforme a época do ano também. Para garantir a qualidade da energia elétrica espera-se que o serviço atenda aos seguintes indicadores (GRIMONI; GALVÃO; UDAETA, 2004): • Valor eficaz da tensão adequado para utilização. • Função distribuição da tensão, com eixos similares aos do gráfico da Figura 1, porém em relação à entrega dos níveis de tensão aos consumidores. 33 • Frequência de violação de tensão, expressando as falhas quanto ao nível de tensão entregue. • Distorção harmônica, considerado um aspecto negativo, pois distorce a forma do sinal de tensão ou de corrente. Para que residências, comércios, indústrias, zonas rurais, hospitais, escolas e serviços como iluminação pública e sinalização recebam a energia elétrica, existe uma infraestrutura de rede de distribuição similar à de transmissão, com condutores, transformadores, equipamentos de fixação, controle e proteção dos circuitos de distribuição (BARROS, 2014). 1.1 Níveis de tensão da distribuição Da mesma forma que linhas de transmissão existem em diferentes tensões, o sistema de distribuição de energia elétrica também é organizado em níveis de tensão, formados por circuitos de baixa, média e alta-tensão. Além das linhas de distribuição, linhasde transmissão entre 69kV e 138kV são chamadas de linhas de subtransmissão, sendo também de responsabilidade das distribuidoras (BARROS, 2014). A caracterização em alta, média e baixa tensão se faz necessária inclusive para entender melhor o consumo resumido na curva de carga da Figura 1. O SIN como um todo possui um total diário, e é importante considerar que aquele é o resultante de três padrões de consumo que diferem muito ao longo do dia: residencial, industrial e iluminação pública. O circuito residencial tem seu pico entre 18h e 22h, já a indústria utiliza muito mais energia na parte da manhã e da tarde, e a iluminação está configurada para utilizar durante a noite e a madrugada. Assim, faz- se necessário dividir esses circuitos, pois a intensidade e densidade da carga, o nível de tensão, os parâmetros de configuração, a quantidade de fases e os tipos dos condutores são diferentes. 34 Com a intenção de ilustrar essa divisão, apresentamos um diagrama unifilar de um sistema de distribuição na Figura 2, organizando os níveis de distribuição em hierarquia. Figura 2 – Diagrama unifilar de um sistema de distribuição Fonte: adaptada de CSANYI (2016). Como essas características são intrínsecas ao consumo, a distribuidora, então, tem que ter estratégias para atender à demanda, evitando circuitos ociosos e desperdício de energia. 1.2 Subestações e tipos de ligação nas redes de distribuição A existência das subestações é devido aos procedimentos de elevação e abaixamento da tensão, fundamental na estratégia para diminuir as perdas no sistema de transmissão. Elas atuam no controle do fluxo de potência e alteração das tensões e correntes elétricas a fim de garantir segurança ao sistema elétrico, e podem ser de transmissão, subtransmissão e distribuição, atuando em baixa, média, alta e extra-alta tensão. 35 Para elevar as tensões no setor de geração de energia e então iniciar as transmissões, existem as Estações Transformadoras de Transmissão (ETT) e as Estações Transformadoras de Distribuição (ETC). As ETT são consideradas subestações de energia das concessionárias, já as ETC são conhecidas como subestações de energia dos consumidores, que abaixam a tensão para alimentar equipamentos existentes em sua instalação (BARROS, 2014). Além de elevadora ou abaixadora, a subestação pode ser de manobra, utilizada para multiplicação e seccionamento de circuitos. Sob o mesmo nível de tensão de entrada e saída, ela permite a energização em trechos sucessivos do circuito de dimensões mais curtas, inserindo ou retirando esses trechos do serviço. Quanto à sua constituição física e espacial, as redes de distribuição e as subestações podem ser aéreas e subterrâneas, conforme a necessidade e restrição do local de instalação, e ambas possuem vantagens e desvantagens. A Figura 3 apresenta uma subestação de sistema aéreo. Figura 3 – Subestação aérea Fonte: LobodaPhoto/iStock.com, 36 Entre as vantagens do sistema aéreo, destacam-se: facilidade e baixo custo de instalação; manutenção e detecção de falhas; e simplicidade no projeto. Quanto às desvantagens, estão a necessidade de grande espaço físico e a vulnerabilidade quanto aos agentes externos e roubos. Já no sistema subterrâneo, a principal vantagem é a confiabilidade, embora demande maior dificuldade e tempo de instalação e custo mais elevado e sofra com a falta de mão de obra especializada. Quanto ao tipo de ligação nas redes de distribuição, nos circuitos secundários, podem existir transformadores trifásicos ou monofásicos, e é a concessionária que disponibiliza o modelo a ser seguido pelos consumidores, como pode ser analisado na Figura 4. A Figura 4 ilustra um modelo de distribuição de 13,8kV em Delta (triângulo) de neutro isolado, aterrado por meio de reator ou transformador de aterramento, com relação 3 < x0/x1 ≤ 10, frequência de 60Hz, para proteção contra faltas fase-terra, permitindo a ligação de transformadores de distribuição monofásicos entre fases e trifásicos em triângulo/estrela- aterrado. Vp é a tensão primária e Vs é a tensão secundária. Figura 4 – Sistema de Distribuição de 13,8 kV da COPEL Fonte: COPEL (2017). 37 1.3 Componentes A grande maioria dos equipamentos que garantem a segurança do sistema e das pessoas envolvidas é eletromecânica e é posicionada nas subestações, nas linhas de distribuição, de transmissão, no gerador, nas barras de saída do gerador, nas barras de alta-tensão, nos transformadores ou nos alimentadores. Nas subestações, os principais equipamentos são barramentos, linhas e alimentadores, disjuntores, religadores, chaves, reatores, transformadores, compensadores; e sistemas de proteção: relés, para-raios e fusíveis. Os barramentos são barras de material com excelente condutância e boa rigidez e servem para redistribuir a corrente, podendo ser simples, duplos, seccionados; principais ou de transferência; com disjuntor; e em anel. Na Figura 2, eles são representado pela linha mais espessa. Os disjuntores são equipamentos de proteção que operam abrindo e fechando circuitos, de acordo com a anormalidade detectada. Dada a natureza da aplicação, é necessária uma rápida desionização e resfriamento do arco elétrico. As chaves agem seccionando, abrindo ou fechando os circuitos e podem ser chaves disjuntoras ou seccionadoras, sendo as primeiras os disjuntores de média e alta-tensão. A fim de extinguir o arco elétrico, os disjuntores podem usar óleo isolante, vácuo ou gás isolante SF6 (hexafluoreto de enxofre) (BARROS, 2014). Já as chaves seccionadoras abrem e fecham o circuito elétrico sem carga e sem corrente elétrica e costumam ser acionadas por um bastão de manobra ou por motor (BARROS, 2014). O dispositivo mais elementar de proteção de sobrecorrente é o fusível, de custo baixo e sem exigência de manutenção. Ele serve para proteger transformadores e ramais de alimentadores laterais quando a intensidade da corrente que passa pelo fusível aumenta consideravelmente em razão de um curto-circuito ou sobrecarga. 38 A escolha do fusível depende da corrente nominal, da corrente de curto-circuito, da capacidade de ruptura (kA), da tensão nominal e da resistência de contato. Em geral, o fusível é mais barato que os disjuntores e opera com segurança em correntes de curto-circuito mais altas em menor tempo. O ponto negativo é que é precisa ser substituído após a isolação da falta. O ramal de entrada está localizado nas subestações e é o conjunto de condutores que conectam o ponto de entrega da transmissora ou distribuidora aos terminais de entrada da subestação, seja aérea ou subterrânea (BARROS, 2014). Os para-raios também estão localizados nas subestações com o objetivo de proteger os equipamentos das descargas atmosféricas, que podem elevar ou afundar a tensão e a corrente ou mesmo queimar os equipamentos. Eles costumam ser cabo, haste, formato gaiola ou tipo válvula (BARROS, 2014). Um dispositivo que tem ajudado as concessionárias a reestabelecerem suas operações em caso de falhas é o religador. Ele é capaz de detectar sobrecorrente e, nesse caso, interromper o circuito e religá-lo automaticamente para reenergizar a linha. Ainda no quesito segurança nas subestações, sabe-se que elas estão sujeitas a falhas como qualquer sistema com muitos componentes. Assim, considerando que ela atua no sistema interligado, na ocorrência de defeito, o circuito dessa subestação precisa ser isolado, principalmente para proteger o restante do sistema, evitando que essa falha se estenda e atinja mais pontos. Para que a segurança esteja alinhada com a otimização dos recursos e com a qualidade da operação nas subestações, devem ser seguidos cinco pontos principais (BARROS, 2014): 39 • Seletividade: desligar somente os trechos defeituosos, a partir do dispositivo de proteção mais próximo. • Confiabilidade: o projeto e a manutenção do sistema de proteção devem garantir que, se for necessário atuar, atue-se de forma correta. • Rapidez:necessária para evitar estragos irreversíveis na infraestrutura. • Sensibilidade: capacidade de diferenciar uma anomalia de uma oscilação normal no sistema. • Exatidão: cálculos corretos quanto aos equipamentos definidos na operação. Os procedimentos de segurança e proteção dos sistemas elétricos são orientados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e em geral são de cumprimento obrigatório por parte de concessionárias, empresas prestadoras de serviço e consumidores. Assim, a NBR 5410 (ABNT, 2008) trata de instalações elétricas de baixa tensão; a NBR 14039 (ABNT, 2005) trata de instalações elétricas de média tensão, de 1,0 kV a 36,2 kV; e a NBR 5419 (ABNT, 2015) orienta sobre a proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. 1.4 O futuro da distribuição Um dos desafios para as empresas de distribuição de energia elétrica nos próximos anos é o aumento na Geração Distribuída de Energia, já que o Brasil é rico em fontes alternativas de geração de energia elétrica limpa, e esses recursos estão distribuídos por toda a extensão do território nacional. Trata-se de um desafio o fato de os consumidores de energia estarem se transformando em “prossumidores” ao gerarem energia elétrica, 40 reduzindo, consequentemente, seus custos com eletricidade e sua dependência das concessionárias de energia (GOUVÊA, 2019). Ao mesmo tempo em que essas ações são descentralizadas, partindo dos consumidores de energia, e não podem ser controladas pelas concessionárias ou empresas de distribuição, elas podem ser mensuradas e usadas como dados de predição para entender essa oferta e demanda. Por exemplo, a utilização de carros elétricos diminui a utilização de combustíveis fósseis, e isso é um grande apelo do ponto de vista ambiental. Porém, analisando o sistema de distribuição e de consumo atual, chega-se à conclusão de que isso afeta o sistema, que ainda não está adequado para tal uso, principalmente pela questão financeira envolvida. Sabe-se que o custo desse tipo de carro irá diminuir à medida que ele se populariza, o que já ocorre no mundo todo, e, assim, o custo da energia como combustível irá depender da disponibilidade de geração do consumidor, tal como a microgeração de energia solar nas casas dos consumidores. Tal mudança no comportamento dos consumidores impactará diretamente em um impasse na receita das concessionárias, pois, ao mesmo tempo em que está havendo redução do volume de energia comprada das distribuidoras e, consequentemente, de seu lucro, o serviço de manutenção e gestão dos fios e outros equipamentos continua sendo necessário para manter o sistema operando. Adicionalmente, as empresas também precisam continuar garantido os requisitos básicos de qualidade, mesmo sabendo que o aumento na geração distribuída ainda insere perturbações técnicas na rede, como variação na tensão, que exigem investimentos adicionais para minimizá- las. Isso só reforça que o Sistema Elétrico Brasileiro passará por transformações também, já que a mudança na demanda de consumo é inevitável. A discussão nesse aspecto é de como o governo, os agentes reguladores e as concessionárias irão atuar nesse caso: com novos 41 arranjos comerciais, novos modelos de negócio ou por reestruturação dos aspectos regulatórios. Referências Bibliográficas ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 14039: instalações elétricas de média tensão de 1,0 kV a 36,2 kV. Rio de Janeiro: ABNT, 2005. ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5410: instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro: ABNT, 2008. ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5419: proteção contra descargas atmosféricas. Rio de Janeiro: ABNT, 2015. ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Atlas de energia elétrica do Brasil. Brasília: ANEEL, 2002. BARROS, B. F. de. Geração, transmissão, distribuição e consumo de energia elétrica. São Paulo: Érica, 2014. COPEL. Normas técnicas Copel – NTC 905100. Superintendência de Regulação e Finanças da Distribuição, 2017. Disponível em: https://www.copel.com/hpcopel/ root/ntcarquivos.nsf/0342A62F50C68EC4032577F500644B9A/$FILE/905100.pdf. Acesso em: 8 fev. 2020. CSANYI, E. What is distribution substation and its main componentes? Electrical Engineering Portal, 2016. Disponível em: https://electrical-engineering-portal.com/ distribution-substation. Acesso em: 8 fev. 2020. GOUVÊA, A. R. Uma visão estratégica do setor de distribuição de energia elétrica frente aos desafios da expansão de recursos energéticos distribuídos no Brasil. Dissertação (Mestrado em Planejamento Energético) – COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2019. GRIMONI, J. A. B; GALVÃO, L. C. R; UDAETA, M. E. M. Iniciação a conceitos de sistemas energéticos para o desenvolvimento limpo. São Paulo: EDUSP, 2004. ONS. Operador Nacional do Sistema Elétrico. Energia agora: carga e geração. Brasília: ONS, 2020. 42 Modelagem e projetos de sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia Autoria: Bruno César Couto Nolepa Leitura crítica: Ary Paixão Borges Santana Junior Objetivos • Conhecer os conceitos de modelagem de sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia. • Calcular informações de perdas, rendimentos e demandas em sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia. • Compreender as principais características do projeto de sistemas elétricos. 43 1. Modelagem e projetos de sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia As atividades de Geração, Transmissão e Distribuição (GTD) de eletricidade dependem de técnicas de modelagem e projetos para atuarem com um correto dimensionamento, principalmente em seus modelos construtivos e matemáticos. Nesses modelos, já está previsto como deve ser o fornecimento de energia conforme as variações das demandas diárias, semanais ou sazonais, já que não é viável armazenar energia elétrica e a produção não consumida é desperdiçada. O setor elétrico tem forte apelo para ser robusto, disponível e confiável, principalmente por ser um serviço utilizado por consumidores industriais, comerciais, governamentais, setores da saúde e segurança e outras tantas aplicações, além de atuar em conjunto com o fornecimento de água ou mesmo em telecomunicações. Assim, com a evolução dos dispositivos e equipamentos que demandam energia elétrica para funcionar e com a variação no padrão de consumo e distribuição de cargas, o setor de distribuição de energia tem passado por desafios técnicos, financeiros e até conceituais e éticos, principalmente quando são discutidas as tarifas diferenciadas, os direitos do consumidor, o papel do Estado na regulação na energia e a prestação do serviço realizada pela concessionária. Além disso, ao observar essa evolução diante da geração de energia, também se percebe que houve uma série de mudanças nos últimos anos, principalmente com as fontes alternativas e renováveis e com a microgeração por parte dos consumidores, que passaram a ser “prossumidores” de energia elétrica. 44 Embora a microgeração de eletricidade, por meio de painéis solares, por exemplo, seja excelente para a maioria dos consumidores residenciais e comerciais e para o meio ambiente, para a rede de distribuição e para as concessionárias de energia, ela representa um desafio técnico e financeiro. A questão técnica é devido à inserção de distúrbios na rede, que podem alterar a frequência da rede na linha de transmissão quando a energia da microgeração é injetada. Do outro lado, é um desafio financeiro, pois, ao mesmo tempo em que aumentam os investimentos com segurança e manutenção nas redes, diminuem as receitas com a venda de energia. Nesse aspecto, tanto a modelagem quanto os projetos de GTD precisam, mais do que acompanhar essas evoluções, estar à frente desses desafios, para manterem um serviço democrático, acessível e seguro, conciliando boas práticas com técnicas inovadoras. Em geral, os projetos de GTD correspondemaos projetos de usinas para geração de energia, projetos de linhas de transmissão e projetos de subestações para distribuição aos consumidores, e em todos os âmbitos são exigidos: • Levantamentos iniciais do terreno e da área a ser utilizada. • Estudos de carga, demanda e disponibilidade. • Recursos financeiros exigidos e disponíveis. • Possibilidade e necessidade de integração com o Sistema Interligado Nacional (SIN). • Outros aspectos legais exigidos, conforme as Normas Brasileiras (NBRs). 45 1.1 Geração Ao elaborar o projeto de uma usina, é considerado o fator de capacidade que esta conseguirá gerar em energia elétrica. Mede-se a relação entre a produção efetiva da usina em um determinado intervalo de tempo e a capacidade total máxima nesse período, dada por (PINTO, 2014): 8760C EF P = ⋅ O valor de 8.760 na equação representa a quantidade de horas em um ano e é usado quando a informação é fornecida em MWh, ou GWh, ao longo de um ano. Pinto (2014) ressalta que o ideal é que uma usina opere com 100% do seu fator de capacidade. Entretanto, alguns fatores externos influenciam para que esses índices não sejam máximos, havendo a variação entre tipos de fonte para geração de energia e entre representantes de uma mesma fonte de geração. Por exemplo, fontes solares e eólicas não conseguem atingir fatores de capacidade maiores que 0,5 devido a eventos naturais, mas mesmo assim são viáveis, rentáveis e factíveis. Da mesma forma, a biomassa de origens diversas e com características e comportamentos particulares também impacta um fator de carga que varia tanto devido às características físico-químicas da fonte quanto conforme a variação de sua disponibilidade ao longo de um período de tempo. Algumas usinas, como a de Itaipu, conseguem atingir cerca de 83% do fator de capacidade. Entretanto, poucas hidrelétricas conseguem valores acima de 60%, porque também dependem do volume de chuvas no período e das limitações dos reservatórios. Entre as outras fontes de geração, esse índice de fator de capacidade pode ser ainda menor, como pode ser visto na Tabela 1. 46 Tabela 1 – Fator de capacidade de algumas modalidades de geração de energia Fonte Fator de capacidade aproximado Solar fotovoltaica Entre 0,17 e 0,27 Nuclear Entre 0,85 e 0,90 Solar térmica1 Entre 0,21 e 0,40 Biomassa Entre 0,41 e 1,00 Eólica Entre 0,30 e 0,50 Carvão Próximo de 0,82 Fonte: adaptada de Pinto (2014). Os valores de fator de capacidade não devem ser analisados de maneira isolada para comparar o desempenho ou a eficiência dos sistemas; deve-se analisar todos os custos envolvidos para cada tecnologia. As Linhas de Transmissão (LTs) apresentam características de operação mecânicas e elétricas que impactam diretamente em seu desempenho e na segurança de toda a infraestrutura da rede. 1.2 Transmissão Quando a etapa de transmissão de energia elétrica é analisada, o projeto e a modelagem consistem em analisar a topologia do terreno e o tipo de ocupação (pedestres, veículos, construções) por onde passará a LT, a distância necessária e possível de ser atendida, as estruturas que suportarão os condutores e a distância segura entre cada estrutura. O objetivo principal do projeto é diminuir as perdas e aumentar a eficiência do sistema, estando sujeito à viabilidade financeira também. Entre as principais perdas, podemos destacar: • Perdas por efeito Joule: é o aquecimento das LTs, o que pode ocasionar dilatação ou variação nas dimensões dos condutores. As perdas por efeito Joule também estão presentes nos 1 Ao contrário da energia solar fotovoltaica, a energia solar térmica não resulta em eletricidade, e sim em aquecimento, como os aquecedores de água, por meio de estruturas de canos em cima do telhado. 47 transformadores. Independentemente da tensão, essas perdas são calculadas como potência dissipada, obedecendo à relação: 2P R I= ⋅ • Efeito corona: é uma descarga elétrica gerada pela ionização do ar ao redor dos condutores, porém não suficiente para gerar um arco voltaico. A alta-tensão das linhas de transmissão produz essa descarga, que gera ondas eletromagnéticas, e, por isso, ainda é praticamente impraticável eliminar o efeito corona. Porém, os projetos em LT visam atenuar seu efeito, tendo como base a fórmula de Peek (PINTO, 2014): 0,330 1 . E m r δ δ = ⋅ ⋅ ⋅ + Em que o campo elétrico superficial do condutor deve ser menor do que o campo elétrico crítico da corona ( E ), dado em kVpico/ cm. Para utilizar a fórmula, devemos considerar m o fator de rugosidade do condutor, r o raio do condutor e δ a densidade relativa do ar, dada por 1,2928 kg/m3, a 0 °C e ao nível do mar, conforme Pinto (2014). A escolha correta dos condutores, a dimensão e a posição das torres objetivam diminuir as perdas, sejam por efeito Joule ou efeito corona. A escolha de condutores com áreas de seções transversais e resistividade compatíveis com a corrente que deverão conduzir pode auxiliar na diminuição do efeito Joule (LABEGALINI et al., 1992). Para diminuição do efeito corona, busca-se aumentar a seção transversal do condutor. Nos aspectos mecânicos, tanto a temperatura quanto o vento interferem no comportamento dos condutores nas linhas aéreas de transmissão, pois elas estão sujeitas a rupturas, vibrações e perdas em sua resistência mecânica, comprometendo sua sustentação. 48 A Figura 1 apresenta uma linha de transmissão, suportada por duas torres, espaçadas por um vão, chamado de vão de sustentação. Como a linha tem uma força peso, a compensação dessa força faz com que ela não fique totalmente esticada, o que favorece a existência da flecha, que é o abaixamento da linha, formando uma parábola com uma parte mais baixa no meio do vão. Considerando a flecha, a menor distância entre o condutor e o solo é chamada de altura de segurança (LABEGALINI et al., 1992). O “T” mostrado na Figura 1 é a resultante das forças às quais a linha de transmissão está submetida, formada pelos componentes vertical e horizontal, resultantes de uma decomposição vetorial de forças. Figura 1 – Linha de transmissão e medidas principais Fonte: elaborada pelo autor. O comportamento da flecha está relacionado com a força T, que é exercida entre o condutor e a estrutura de sustentação, sendo composta por uma componente horizontal 0T , absorvida pela estrutura e uma componente vertical, equilibrada pelo peso do condutor na metade do vão. A medida da flecha é calculada pela seguinte expressão (LABEGALINI et al., 1992): 2 08 a pf T ⋅ = Em que a é a distância do vão, p é o peso do condutor e 0T é a componente horizontal da força T. 49 A NBR 5422 (ABNT, 1985), que trata do projeto de linhas aéreas de transmissão de energia elétrica, determina a altura de segurança com base na tensão da linha e as características do terreno em questão, como é mostrado na Figura 2. Figura 2 – Altura da linha de transmissão em terrenos genéricos Fonte: NBR 5422 (ABNT, 1985, p. 38). Adicionalmente, e com base nas mesmas variáveis de tensão e terreno, a mesma norma regulamentadora NBR 5422 (ABNT, 1985) descreve a altura mínima dos condutores em relação a outros obstáculos, dada por: 0,01 50 3 UDD a = + − Em que, para 87U kV> , U é a tensão máxima de operação da linha, valor eficaz, fase-fase em kV; UD é a distância, em metros, numericamente igual a U ; e a é a distância básica, em metros, obtida da norma NBR 5422, ou para 87U kV≤ o valor de D a= . Para auxiliar no entendimento do quanto cada tipo de ambiente impacta na distância a , alguns dados da NBR 5422 estão transcritos na Tabela 2, conforme Labegalini et al. (1992). 50 Tabela 2 – Distância a para os principais espaços de linhas de transmissão Natureza da região ou obstáculo atravessado pela linha, ou que dela se aproxime Distância a (m) - Locais acessíveis apenas a pedestres 6,0 - Locais onde circulam máquinas agrícolas 6,5 - Rodovias, ruas e avenidas 8,0 - Ferrovias, ruas e avenidas 9,0- Ferrovias eletrificadas ou com previsão de eletrificação 12,0 - Suporte de linha pertencente à ferrovia 4,0 - Águas navegáveis h + 2,0 - Águas não navegáveis 6,0 - Linhas de energia elétrica 1,2 - Linhas de telecomunicações 1,8 - Telhados e terraços 9,0 - Paredes 3,0 - Instalações transportadoras 3,0 - Veículos rodoviários e ferroviários 3,0 Fonte: adaptada de Labegalini et al. (1992). Uma observação sobre a tabela: no caso de águas navegáveis, a fórmula considera h como a altura acima do espelho d’água dos navios ou embarcações que navegam na área. Parte do projeto de linhas de transmissão envolve também a sinalização de advertência, requerida pela NBR 7276 (ABNT, 2005): • Sinalização de advertência a pedestres. • Esferas vermelhas ou laranjas, de diâmetro de no mínimo 500 mm: • Com espaçamento de 40 m fixadas em cabos dispostos a mais de 145 m de altura, se for um terreno de vale profundo, com o objetivo de advertir aeronaves. • No mínimo duas por travessia, sobre rodovias, ferrovias ou dutos. • Sinalização de advertência de estais, sendo estais o suporte para estruturas estaiadas. 51 1.3 Distribuição Na etapa de distribuição de energia, deve-se levar em conta fatores de carga e demanda. Para isso, o Manual de Procedimentos de Redes de Distribuição (ELETROBRÁS, 2012) apresenta alguns conceitos, entre eles: • Carga instalada: soma das potencias nominais dos equipamentos que utilizarão a eletricidade daquela unidade consumidora. • Demanda média: relação entre a energia consumida em um determinado período de tempo e o número de horas do período. • Demanda máxima: maior demanda registrada em um intervalo de tempo, podendo ser diário, semanal, mensal ou anual. • Demanda diversificada: evitando considerar como resultante de um grupo a soma da demanda máxima de cada indivíduo, calcula- se a média ponderada da demanda de consumidores de um grupo determinado, sendo então ( )iD t a demanda de um grupo em um período de tempo adotado, n a quantidade de grupos e divD a demanda diversificada resultante: 1 ( ) n i i div D t D n == ∑ • Fator de carga ( CF ): relação entre a demanda média ( médD ) e a demanda máxima ( máxD ), caracterizando a frequência de distribuição de potência requerida pela unidade consumidora ao longo de um tempo pré-definido: méd C máx DF D = 52 • Fator de potência ( pF ): relação entre a potência ativa kW e a raiz quadrada da soma dos quadrados das potências ativas e as reativas 2kVAr , em um determinado intervalo de tempo, sendo o limite mínimo determinado pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2017) 0,92: 2 2p kWF kW kVAr = + • Fator de demanda ( dF ): relação entre a demanda máxima ( máxD ) em um período de tempo e a potência total ( totalP ) instalada no sistema: máx d total DF P = Após o levantamento da demanda do conjunto, deve ser consultado o padrão de cada concessionária para construir projetos de subestações. Creder (2007) apresenta os principais critérios para ligação em alta- tensão no projeto de uma subestação abaixadora do tipo abrigada, além das exigências municipais e da concessionária: • Para ramal aéreo: não cortar terrenos de terceiros; não passar sobre área construída; não passar a menos de 2 metros de janelas, sacadas, telhados e escadas; e manter altura mínima de 7 metros em relação ao solo com trânsito de veículos e 6 metros com trânsito de pedestres. • Para ramal subterrâneo: realizar a descida do poste até a caixa de passagem em eletroduto de aço zincado; manter cabos unipolares protegidos por eletrodutos de aço zincado com envelope de concreto; manter a profundidade mínima do eletroduto de meio metro; utilizar muflas terminais nas derivações internas e externas; e prever um cabo reserva. 53 Para o projeto da subestação, entre os requisitos e as atividades a serem considerados sobre o local, a construção e os equipamentos, os principais são (CREDER, 2007): • Determinar o número e a potência dos transformadores. • Certificar que o local está longe de instalações de gás, de água ou esgoto e possuir abertura para ventilação. • Elaborar a planta contendo a subestação, o local do poste da concessionária onde se fará a ligação e o itinerário do ramal de entrada. • Definir a tensão do ramal e a classe de isolamento de equipamentos. • Analisar e calcular o nível de curto-circuito no local, como parte da análise dos sistemas elétricos de potência. No projeto das subestações, também é essencial seguir as regulamentações da NBR 5419 (ABNT, 2015) para a proteção contra descargas atmosféricas. 1.4 Smart Grids Redes inteligentes ou Smart Grids visam a uma interação maior entre os sistemas de distribuição de energia elétrica e os consumidores, por meio da tecnologia da informação, instrumentação e automação. No modelo com Smart Grids, há uma comunicação bidirecional entre os envolvidos, por meio de sensores e uma rede de dados, além da rede de transmissão de energia. A concessionária pode planejar como atender à demanda de maneira mais eficiente e também reduzir as possibilidades de falha e de duração 54 da falta de energia se tiver maior conhecimento sobre as variáveis de rede. Nesse aspecto, as Smart Grids podem auxiliar. O aumento da utilização de placas solares se trata de uma evolução irreversível no setor, principalmente pelo seu apelo ambiental, e controlar a qualidade da energia nesses sistemas e o planejamento de demanda gera uma complexidade adicional para as concessionárias. Nesse cenário, as Smart Grids também têm grande aplicação. O nível de automação e inteligência computacional nos sistemas ditos inteligentes pode variar, ou seja, conforme a disponibilidade de recursos e o investimento financeiro, as ferramentas de automação, supervisão, controle e comunicação podem estar compreendidas total ou parcialmente nas etapas de geração, transmissão, distribuição e consumo de energia (DI SANTO, 2018). A Figura 3 apresenta aplicações de redes inteligentes em diferentes etapas no sistema elétrico. Figura 3 – Redes inteligentes nas etapas do sistema elétrico Fonte: CGEE (2012). 55 Vehicle to grid, ou veículo na rede, também é uma alternativa promissora no campo das Smart Grids. É um cenário onde os carros elétricos podem atuar como fonte distribuída de energia quando estiverem com suas baterias carregadas, diminuindo a criticidade no fornecimento de energia em certos períodos de tempo (DI SANTO, 2018). Além disso, o conceito de casa inteligente tende a se popularizar junto com as redes inteligentes, pois são complementares. Assim, se instalados nas residências, os medidores bidirecionais de energia podem enviar sinais de consumo de eletrodomésticos à concessionária. Isso serve de base para aumento ou diminuição da geração e oferta de energia, influencia nas tarifas praticadas, principalmente em horário de pico, e gera alertas de sobrecarga na rede. Esses medidores também podem auxiliar o consumidor a manter um controle de cargas, realizado até por meio de dispositivos móveis. Inclusive, como atuam de maneira bidirecional, a rede da concessionária pode emitir avisos dizendo que as tarifas estão mais baratas naquele momento, oferecendo a opção de um determinado equipamento ser programado para operar nesse intervalo de tempo e gerar menos custo ao consumidor, auxiliando também a concessionária a balancear as cargas. As Smart Grids tendem a provocar inclusive uma revolução econômica na área, já que novos modelos de negócios podem ser criados. Como motivação, destacam-se (TOLEDO; GOUVÊA; RIELLA, 2012): • Detecção e correção inteligente de falhas em tempo real. • Reconfigurações automáticas da rede. • Gestão preventiva via monitoramento dos ativos da rede. • Monitoramento da qualidade de energia e confiabilidade do sistema elétrico. 56 • Suporte à geração e ao armazenamento distribuídos de energia. • Medição inteligente. • Melhor suporte e atendimento aos clientes. A utilização de sensores e microcontroladoresnos pontos de geração e distribuição de energia, bem como a inserção de uma camada de troca de informações, torna os processos mais transparentes para a gestão do sistema, fornecendo muito mais informações para a tomada de decisão. Além disso, os algoritmos e a estrutura computacional programada como base das redes inteligentes conseguem tomar decisões de controle e planejamento de forma automatizada e mais rápida do que interferências humanas. As pesquisas na área de geração, transmissão e distribuição de energia apontam para as Smart Grids, assim como outras áreas da sociedade estão aproveitando os benefícios da automação e tecnologia da informação. Referências Bibliográficas ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5422: projeto de linhas aéreas de transmissão de energia elétrica. Rio de Janeiro: ABNT, 1985. ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7276: sinalização de advertência em linhas aéreas de transmissão de energia elétrica. Rio de Janeiro: ABNT, 2005. ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5419: proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. Rio de Janeiro: ABNT, 2015. ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional: PRODIST. Brasília: ANEEL, 2017. CGEE. Centro de Gestão e Estudos Estratégicos. Redes elétricas inteligentes: contexto nacional. Brasília: CGEE, 2012. CREDER, H. Instalações elétricas. 15. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007. 57 DI SANTO, K. G. Gestão ativa da demanda de energia elétrica para consumidores inseridos em redes inteligentes. Tese (Doutorado em Ciências) – Escola Politécnica, Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. ELETROBRÁS. Manual de Procedimentos de Redes de Distribuição. Brasília: Eletrobrás, 2012. LABEGALINI, P. R. et al. Projetos mecânicos das linhas aéreas de transmissão. 2. ed. São Paulo: Blucher, 1992. PINTO, M. O. Energia elétrica: geração, transmissão e sistemas interligados. Rio de Janeiro: LTC, 2014. TOLEDO, F.; GOUVÊA, F. P.; RIELLA, R. J. Introdução às redes inteligentes de distribuição de energia elétrica. In: TOLEDO, F. (Cood.). Desvendando as redes elétricas inteligentes. Rio de Janeiro: Brasport, 2012. 58 BONS ESTUDOS!
Compartilhar