Redes Elétricas - Tópico 2

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Redes Elétricas 
 
 
Nova Metodologia 
Material de consulta do aluno 
 
 
2º Tópico – Linhas de Transmissão e Distribuição 
 
2.1 – Linha de Transmissão 
 
A Linha de Transmissão começa no para-raios da Subestação da Usina e 
termina no para-raios da Subestação de Distribuição. Cada linha é composta 
de três fases identificadas pelas letras A, B e C e pelas cores Azul, Branca e 
Vermelha, que são as três fases da corrente trifásica. 
 
A tensão de transmissão é elevada para diminuir as perdas pelo efeito Joule 
(aquecimento do cabo pela passagem da eletricidade). Quanto mais alta a 
tensão, menores serão as perdas. A linha entre Itaipú e Tijuco Preto tem um 
comprimento de 700 quilômetros e a tensão é de 765 kV. 
 
Nas proximidades de centros urbanos não é seguro se operar com tensões tão 
elevadas. Então as linhas operam com tensão de 230 kV. Dentro da cidade a 
tensão é menor ainda. Pode ser em 138 kV ou 69 kV. 
 
 
 
2.1.1 – Componentes de uma linha de transmissão 
 
Torres: São estruturas de suporte das linhas de transmissão que têm como 
finalidade sustentar os cabos condutores e para-raios, respeitando uma 
distância adequada de segurança, desempenho e custo. Tais estruturas são, 
em geral, construídas em treliças com perfis de aço galvanizado ou em postes 
de aço, concreto ou madeira. 
 
No Brasil, as torres metálicas treliçadas são mais usuais, pois permitem, em 
um espaço limitado, obter uma estrutura alta, esbelta, mais leve e versátil. 
 
 
Figura 1 - Estruturas horizontal, vertical e triangular 
 
Condutores: São responsáveis em transportar a energia elétrica gerada. Eles 
podem ser de cobre, alumínio ou alumínio com alma de aço. Devem ter as 
seguintes características: 
 Alta condutibilidade elétrica. 
 Baixo custo. 
 Boa resistência mecânica. 
 Baixo peso específico. 
 Alta resistência à oxidação e corrosão. 
Os cabos elétricos ficam bem esticados. Em cada cabo pode haver uma força 
de 2.000 quilogramas para mantê-lo esticado. 
 
 
Amortecedor de vibração: Devido ao fato dos cabos ficarem muito esticados, 
na passagem do vento, eles podem vibrar como as cordas de um violão e 
podem entrar em ressonância e arrebentar. Isso é evitado instalando os 
amortecedores de vibração. 
 
 
Figura 2 - Amortecedor de vibração pré-formado 
 
 
Isoladores: Impedem o contato elétrico entre os cabos e a torre. Existem 
vários tipos de isolares: 
 
 
Figura 3 - Cadeia de ancoragem e cadeia de suspensão 
 
Separadores: Quando a linha de transmissão é composta por dois, três ou até 
quatro condutores unipolares por fase há um risco de enroscarem, um no outro, 
aumentando a força de tração. Os separadores evitam que esse fenômeno 
aconteça. 
 
 
 
Figura 4 - Separadores 
 
 
Cabo para-raios: Fica na parte mais alta dada torre e funciona como um 
“guarda-chuva” eletrostático. Caso um raio venha cair na linha de transmissão 
cairá nesse cabo, que está aterrado. 
 
 
Figura 5 - Cabo para-raios 
 
 
Esfera de sinalização: Nas regiões se servem como rotas de aeronaves, 
principalmente de pequeno porte, como rodovias, ferrovias e hidrovias, além 
das torres serem pintadas de laranja e branco, os cabo para-raios devem 
receber esferas de sinalização ou balizadores elétricos. 
 
 
Figura 6 - Esfera de sinalização e Balizador elétrico 
 
 
 
Para-raios de linha: É utilizado para evitar a sobretensão na linha de 
transmissão ocasionada por uma descarga atmosférica ou outra anomalia. 
 
 
Figura 7 - Para-raios de linha 
2.1.2 – Linhas de Transmissão com Corrente Contínua (HVDC) 
 
Nos últimos tempos, algumas novidades têm surgido relacionadas com a 
transmissão de energia elétrica a longas distâncias. Os engenheiros e técnicos 
tem constatado que, para transmissão a distâncias superiores a cerca de 500 
km, a corrente contínua mostra-se mais vantajosa do que a corrente alternada. 
Isto ocorre principalmente pelos motivos que analisaremos a seguir. 
 
Sabe-se que o método mais adequado para transmitir corrente alternada é o 
sistema denominado trifásico, que utiliza três cabos ligando os dois pontos de 
transmissão (observe o sistema de alta voltagem nos postes de rua, que é 
exatamente deste tipo, utilizando três fios). Por outro lado, um sistema de 
transmissão com corrente contínua seria apenas 2/3 daquele que se tem em 
uma linha de corrente alternada. Além disso, pode-se mostrar que, para se 
obter a mesma perda por efeito Joule, os cabos em corrente alternada teriam 
que ser mais grossos do que em corrente contínua. 
 
Verifica-se que, apesar destas vantagens, a corrente contínua apresenta 
alguns inconvenientes, pois sua voltagem não pode ser transformada 
facilmente, como já sabemos. 
 
Assim, para transmissão em corrente contínua, os geradores devem ainda ser 
de voltagem alternada, e só depois que esta voltagem é aumentada por meio 
dos transformadores é que ela é retificada para ser transmitida. Ao chegar ao 
local de consumo, a corrente contínua deve ser transformada novamente em 
corrente alternada para que sua voltagem possa ser reduzida antes de ser 
distribuída. É claro que todas estas transmissões, em longas distâncias, as 
economias feitas com os cabos poderão compensar estes custos. Em países 
de grandes dimensões, como a União Soviética, os Estados Unidos e o Brasil, 
essas condições são fáceis de ocorrer e, por isso mesmo, o sistema de 
transmissão com corrente contínua já se encontra em implantação nestes 
países. 
 
 
Figura 8 - Esquema da linha HVDC 
 
No diagrama, da figura 8, observamos a existência de uma estação 
retificadora, que transforma a CA em CC, e de outra estação conversora que 
transforma a CC em CA novamente. 
 
 
 Figura 9 - Subestação de HVDC 
 
 
 
2.2 – Linha de Distribuição 
 
A distribuição se caracteriza como o segmento do setor elétrico dedicado à 
entrega de energia elétrica para um usuário final. Sendo composta pela 
subestação de distribuição e da distribuição propriamente dita. 
 
As subestações de distribuição são as unidades responsáveis pela recepção 
da energia elétrica proveniente de redes de subtransmissão em alta tensão 
(entre 69 kV e 230 kV) e, como também ocorre nas subestações de 
transmissão, pelo rebaixamento do nível de tensão a valores caracterizados 
como média tensão (entre 2,3 kV e 44 kV). 
 
A rede de distribuição é feita nas ruas do bairro. Existem, basicamente, dois 
tipos de circuitos nos postes da rua: A Rede Primária e a Rede Secundária. 
 
 
2.2.1 – Classificação das linhas de distribuição 
 
Rede primária: As linhas em média tensão são aquelas com tensão elétrica 
entre 2,3 kV e 44 kV (Rio de janeiro é 13,8 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. 
 
 
 Rede secundária: Com tensão elétrica que pode variar entre 110 e 440 V (Rio 
de Janeiro é de 127 V/220 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, pequenos comércios e 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. 
 
 
Rede aérea: 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 (curtos-circuitos), principalmente 
quando há contato de galhos de árvores com os condutores elétricos. 
 
 
Rede subterrânea: A rede subterrânea é aquela que proporciona o maior nível 
de confiabilidade e também o melhorresultado 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. 
 
 
Rede subaquática: Utilizada para alimentar instalações off-shore através de 
um ramal vindo do continente, como é o caso da linha que alimenta a Ilha de 
Paquetá no Rio de Janeiro. 
 
 
 2.2.2 – Componentes de uma linha de distribuição 
 
Cabos condutores: Serão utilizados condutores de alumínio, cobre e alumínio 
coberto, com as seguintes bitolas: 
Condutores de Alumínio → Recomendado para qualquer situação. 
• 02 AWG 
• 04 AWG 
• 2/0 AWG 
• 4/0 AWG 
• 336,4 MCM 
 
Condutores de Cobre → Recomendado para área litorânea ou locais sujeitos à 
corrosão. 
• 16 mm2 
• 35 mm2 
• 70 mm2 
• 120 mm2 
 
Condutores de Alumínio Cobertos com XLPE → Recomendado para áreas 
rurais ou em condomínios fechados, para proporcionar maior segurança. 
• 35 mm2 - 15 kV 
• 185 mm2 - 15 kV 
• 185 mm2 - 35 kV 
 
Obs.: Os cabos tanto da rede de distribuição primária ou secundária poderão 
ser do tipo Multiplexado. 
 
Proteção Contra Sobrecorrente: A aplicação de equipamentos de proteção e 
a sua coordenação visam oferecer ao sistema de distribuição, segurança, 
confiabilidade, melhor qualidade no fornecimento, economia para a empresa e 
minimização do número de interrupções nas instalações de consumidores 
quando em condições anormais do sistema. Dentre eles, podemos citar: 
 
- Religadores; 
- Chaves Fusíveis; e 
- Chave Fusível Religadora. 
 
 
 
Figura 10 - Chave fusível tripolar (religadora) e unipolar 
 
 
Proteção Contra Sobretensão: Para proteger os cabos, transformadores etc., 
contra descargas atmosféricas sobre a linha. 
 
 Esta proteção é feita com a utilização de Para-raios (15 kV para RD 13,8 kV e 
27 kV para RD 34,5 kV). 
 
 
Figura 11 - Para-raios de linha 
 
 
Cruzetas: Feitas em madeira de lei ou metálico com proteção anticorrosiva, 
são responsáveis em sustentar os cabos nos postes através dos isoladores. 
 
 
Figura 12 - Cruzeta em madeira de lei 
 
 
Seccionamento e Manobra: As seccionadoras de faca unipolares e tripolares 
para operação em carga, deverão ser utilizadas em pontos de manobra, 
visando eliminar a necessidade de desligamentos nas subestações para sua 
abertura e minimizar o tempo de interrupção, bem como restringir ao máximo o 
número de consumidores atingidos pela mesma. As referidas chaves deverão 
ser localizadas em pontos de fácil acesso, para maior facilidade de operação. 
 
 
Figura 13 - Seccionadoras unipolar e tripolar 
 
 
Religadores automáticos: Tem a função de religar a rede automaticamente, 
quando há o seu desligamento. Eles só tentam religar a rede por duas vezes 
consecutivas. Se o problema persistir o seu acionamento deverá ser feito, após 
a conserto da rede. 
 
Eles devem utilizados nas seguintes condições: 
 Em redes de distribuição onde se deseja suprir áreas sujeitas a falhas 
transitórias, cuja probabilidade elevada de interrupção tenha sido 
constatada através de dados estatísticos; 
 Em redes de distribuição, após carga cuja continuidade de serviço seja 
desejada; 
 Em circuitos longos onde se deve criar zonas de proteção, através de 
ajustes apropriados, devido aos níveis de curto-circuito. 
 
Figura 14 - Religador automático 
 
 
Aterramento: Deverão ser aterrados os para-raios e tanques de 
transformadores, de religadores, de reguladores de tensão, de capacitores e de 
chaves tripolares para operação em carga. 
 
Havendo condutor neutro no poste, a ligação a terra (descida de terra) de BT, 
deverá ser separada e isolada do aterramento do para-raios e da carcaça dos 
equipamentos a serem protegidos ou em estrutura adjacente. 
 
 
Capacitores: Utilizados para corrigir o baixo fator de potência da linha. Com 
isso temos os seguintes benefícios: 
 Redução da corrente da linha; 
 Redução das perdas; 
 Elevação da tensão até o ponto aplicado; e 
 Liberação de capacidade dos transformadores. 
 
 
Transformadores de Distribuição: Responsáveis pela transformação da MT 
da rede primária para BT da rede secundária, que é de 220 V/127 V ou 254 V/ 
127 V. 
 
Figura 15 - Transformador em pedestal 
 
 
Postes: Deverão ser usados postes de concreto armado, seção circular ou 
duplo T. 
 
 
 
2.2.3 – Problemas mais comuns na rede elétrica 
 
Spike: É caracterizado pelo drástico aumento instantâneo da tensão da rede 
elétrica acompanhado por uma subtensão. É gerado no retorno da energia 
elétrica, principalmente após um apagão, chaveamento de chaves estáticas 
que controlam cargas indutivas, ou por descargas elétricas ou atmosféricas. 
 
 
Figura 16 - Spike 
 
Pode provocar a queima de placas de computadores e de rede, HD, fontes de 
alimentação, hubs, fiação de rede, telefones, modems, etc. 
 
Podemos minimizar seus efeitos maléficos com emprego de varistores, DPS, 
filtros RC (snubbers) e transformador isolador. 
 
 
Figura 17 - Snubber 
Sobretensão: É um dos tipos de anomalias mais comum, a sobretensão é 
caracterizada pelo ligeiro aumento da tensão eficaz da rede elétrica. Problemas 
no fornecimento da concessionária, ajustes incorretos dos taps dos 
transformadores da subestação ou redes elétricas inadequadamente 
dimensionadas. 
 
Esta anomalia pode causar a redução na performance de equipamentos que 
possuam motores elétricos, desligamento, mau funcionamento ou até mesmo 
queima de equipamentos eletrônicos, etc. Em computadores, os efeitos podem 
variar, provocando desde um travamento do teclado, perda de dados, até a 
queima de um HD. 
 
As soluções para o problema são: alertar a concessionária, se o problema for 
dela, ou ajustar corretamente os tap’s dos transformadores. 
 
 
Subtensão: É caracterizada pela ligeira diminuição da tensão eficaz da rede 
elétrica. 
 
Quando ela é por curtos períodos pode ser proveniente pela sobrecarga das 
instalações ou mal dimensionamento dos condutores. Mas, quando ela é de 
longa duração, que chamamos de Brownout, o problema pode ser da própria 
concessionária ou mal ajuste dos tap’s do transformador da subestação. 
 
As soluções são as mesmas apresentadas na sobretensão. 
 
 
Alteração da frequência: Quando a frequência sofre uma variação. 
Normalmente, seu valor é de 60 Hz e é para esta frequência que as máquinas 
e equipamentos foram projetados. 
 
Esta anomalia é muito mais comum em redes alimentadas por geradores a 
diesel ou gasolina. Quando, por algum motivo, o gerador tem sua rotação 
alterada, a frequência se altera também. 
 
Desde um simples mau funcionamento até o sobreaquecimento e 
consequentemente queima de motores e equipamentos em geral. 
 
 
Distorção Harmônica: É quando a rede elétrica sofre uma alteração da forma 
de onda. 
 
Figura 18 - Distorção harmônica 
 
São inúmeras as causas desta anomalia, porém as mais comuns são redes 
sobrecarregadas por fontes chaveadas ou então geradores de má qualidade ou 
inadequadamente ajustados. 
 
Isso causa mau funcionamento de equipamentos que possuam fontes lineares 
ou motores. Os PCs suportam um maior nível de distorção harmônica, 
enfrentando assim menores transtornos. 
As soluções podem ser através do uso de toróides na alimentação, 
transformadores isoladores, redução da frequência de PWM dos inversores de 
frequência e melhorar o aterramento elétrico. 
 
Distorção da forma de onda : A senoide fica toda irregular devido ao excesso 
de cargas indutivas (motores, lâmpadas de descargas, máquinas de solda 
etc.). 
Tudo isso provoca mau funcionamento geral, falha esporádica e aquecimento 
anormal da etapa de potência. 
A solução mais utilizada é a correção do fator de potência com a colocação de 
banco de capacitores. 
 
 
Flicker (Cintilação): Fenômeno comum em instalações que apresentam uma 
grande quantidadede reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes. 
Podemos observar a sua presença ao sentir tremular a luminosidade das 
lâmpadas fluorescentes. 
 
 Dependendo da intensidade, pode até não trazer efeitos significativos para os 
circuitos eletrônicos, mas o tremor das lâmpadas incomoda a visibilidade, 
causando até ardência dos olhos. 
 
Esse problema pode ser solucionado aterrando as calhas e os reatores, reduzir 
a distância dos cabos de alimentação e utilizar toróides na alimentação. 
 
 
Apagão/blackout: O apagão é caracterizado pela ausência total de energia 
elétrica. Este problema pode ser causado por diversos fatores, como o excesso 
de carga ligada à rede (sobrecarga), tempestades com raios, queda de postes 
da rede elétrica, racionamento de energia, etc. 
 
Assim que a energia retorna e durante os cinco primeiros segundos após este 
retorno existe a possibilidade de surgirem picos de tensão que podem até 
queimarem equipamentos que estejam sem proteção. 
 
Pode-se fazer uso de geradores e no-breaks para solucionar o problema até o 
retorno da energia. 
 
 
Perdas pelo Efeito Joule: É o aquecimento dos condutores devido ao atrito 
provocado pela passagem da corrente elétrica com as moléculas que 
compõem o elemento condutor. 
 
 Para reduzir as perdas por aquecimento nos fios transportadores, a energia 
elétrica deve ser transmitida com baixa corrente e alta voltagem. Esta é 
exatamente a solução adotada pelos engenheiros eletricistas ao projetarem as 
linhas de transmissão. O valor da alta voltagem usada em cada caso depende 
da potência a ser transmitida e da distância entre a usina e o local de consumo. 
Assim, são usadas voltagens de 138 kV, 230 kV etc. e, atualmente, já são 
projetadas transmissões com até 1,2 MV. 
 
Não é possível, entretanto, elevar indefinidamente o valor destas altas 
voltagens porque acima de certos valores o ar em volta do fio torna-se 
condutor, permitindo o escoamento de eletricidade, o que constituiria outra 
forma de perda de potência. 
 
 
Perdas pelo Efeito Corona: O efeito corona normalmente aparece nas 
superfícies dos condutores das linhas de transmissões de energia elétrica, em 
consequência dos níveis de tensões de operação, das configurações de 
fixação dos condutores e das condições climáticas onde estão construídas. 
 
 Esse efeito ocorre devido às partículas de ar, de poeiras e a alta umidade 
(vapor d’água) encontrada em torno dos condutores, que quando submetido a 
um campo elétrico muito elevado e intenso, tornam-se ionizadas e, como 
consequências, emitem luz e um ruído característico. 
 
 A consequência mais danosa do efeito corona é a corrosão de todas as partes 
metálicas da linha de transmissão. 
 
Geralmente, quanto maior a tensão, maior o efeito corona. Este efeito também 
aumenta com a umidade e chuva porque tornam o ar mais condutivo. O ruído 
de corona induzido é geralmente pior durante a chuva, quando a precipitação 
cai em forma de gotas nas bordas inferiores das linhas de transmissão. 
 
 
 
Links para acesso aos vídeos do YouTube 
 
https://www.youtube.com/watch?v=qovxwFm54PY – Linha de Transmissão. 
 
https://www.youtube.com/watch?v=iicBSeDoVho – HVDC. 
 
https://www.youtube.com/watch?v=OWP34hUefdw – Linha de Distribuição. 
 
 
BIBLIOGRAFIA 
 
Apostila de Redes Elétricas da Escola Técnica Electra – Ed. 2013. 
 
http://joinville.ifsc.edu.br/~edsonh/Repositorio/PIPProjeto_e_Instalacoes_Eletric
as_Prediais/Material%20de%20Aula/Parte_I_GTD/Complemento/IIITransmissa
o.pdf - último acesso em 16/04/2018 às 16h06min. 
 
http://joinville.ifsc.edu.br/~edsonh/Repositorio/PIPProjeto_e_Instalacoes_Eletric
as_Prediais/Material%20de%20Aula/Parte_I_GTD/Complemento/IIITransmissa
o.pdf - último acesso em 16/04/2018 às 16h06min. 
 
http://www.abradee.com.br/setor-eletrico/redes-de-energia-eletrica - último 
acesso em 16/04/2018 às 20h40min. 
 
https://www.youtube.com/watch?v=qovxwFm54PY
https://www.youtube.com/watch?v=iicBSeDoVho
https://www.youtube.com/watch?v=OWP34hUefdw
http://joinville.ifsc.edu.br/~edsonh/Repositorio/PIPProjeto_e_Instalacoes_Eletricas_Prediais/Material%20de%20Aula/Parte_I_GTD/Complemento/IIITransmissao.pdf
http://joinville.ifsc.edu.br/~edsonh/Repositorio/PIPProjeto_e_Instalacoes_Eletricas_Prediais/Material%20de%20Aula/Parte_I_GTD/Complemento/IIITransmissao.pdf
http://joinville.ifsc.edu.br/~edsonh/Repositorio/PIPProjeto_e_Instalacoes_Eletricas_Prediais/Material%20de%20Aula/Parte_I_GTD/Complemento/IIITransmissao.pdf
http://joinville.ifsc.edu.br/~edsonh/Repositorio/PIPProjeto_e_Instalacoes_Eletricas_Prediais/Material%20de%20Aula/Parte_I_GTD/Complemento/IIITransmissao.pdf
http://joinville.ifsc.edu.br/~edsonh/Repositorio/PIPProjeto_e_Instalacoes_Eletricas_Prediais/Material%20de%20Aula/Parte_I_GTD/Complemento/IIITransmissao.pdf
http://joinville.ifsc.edu.br/~edsonh/Repositorio/PIPProjeto_e_Instalacoes_Eletricas_Prediais/Material%20de%20Aula/Parte_I_GTD/Complemento/IIITransmissao.pdf
http://www.abradee.com.br/setor-eletrico/redes-de-energia-eletrica