TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA - Atividade 01

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Atividade 01:
Um sistema elétrico é definido como o conjunto de instalações, condutores e equipamentos necessários para a geração, o transporte e a distribuição de energia elétrica. Desde o final do século XIX — e ao longo do século XX —, o crescimento dos sistemas de eletricidade tem andado de mãos dadas com o avanço tecnológico da sociedade, a ponto de considerar o consumo de energia elétrica como um dos indicadores mais claros do grau de desenvolvimento de um país.
Os primeiros sistemas de iluminação elétrica nasceram por volta do ano de 1870 e consistiam em geradores individuais, que alimentavam a instalação elétrica — lâmpadas de arco — de uma única residência. Thomas Edison inventou a lâmpada incandescente por volta de 1880 e teve a ideia de aumentar a escala do processo, usando um único gerador para alimentar muito mais lâmpadas.
Os primeiros sistemas elétricos foram isolados uns dos outros. Com o crescimento da demanda de eletricidade e a consequente capacidade de geração e transmissão, houve um rápido processo de concentração empresarial e interligação dos pequenos sistemas, dando origem a outros muito maiores, tanto em potência quanto em extensão geográfica, que são os que existem atualmente.
As usinas de energia são as instalações nas quais a energia elétrica é produzida. De acordo com sua planta instalada, elas podem ser classificadas de diferentes maneiras. Desse modo, mencione uma usina de geração de energia e indique os passos que a energia deve seguir para que chegue às residências. 
Resposta: 
A rede de energia elétrica é composta basicamente pelas seguintes atividades: geração, transmissão, distribuição e comercialização, sendo que essa última envolve a medição e faturamento dos consumidores. As redes de energia elétrica são de extrema importância para que a energia chegue aos consumidores!
Usina hidrelétrica:
A usina hidrelétrica é formada por um conjunto de obras e equipamentos usados para produzir energia elétrica através do aproveitamento do potencial hidráulico existente em um rio. Essa força é proporcionada pela vazão do rio e pela concentração dos desníveis existentes ao longo de seu curso.
Os desníveis podem ser naturais ou construídos na forma de barragens. A construção também pode ser feita por meio do desvio do rio de seu leito natural para a formação de reservatórios. Apesar de utilizar uma fonte de energia renovável para gerar eletricidade, uma usina hidrelétrica pode provocar um impacto ambiental irreversível na região em que for instalada.
Como funciona uma Usina Hidrelétrica: 
De modo geral, o esquema de uma usina elétrica inclui uma barragem - uma barragem ou um dormitório - que intercepta o curso de água, criando um reservatório, que pode ser um reservatório ou um reservatório.
Através de obras de adução, canais e túneis de desvio, a água é transportada por canos da barragem para turbinas de água, que giram para gerar energia mecânica, que é então convertida em energia elétrica pelo gerador elétrico rotativo. A água coloca as turbinas em ação, gerando energia mecânica, e sai, terminando em um canal de descarga, através do qual é devolvida ao curso de água.
Diretamente conectado à turbina está o gerador elétrico rotativo (alternador), que converte a energia mecânica recebida da turbina em energia elétrica.
A eletricidade assim obtida deve ser transformada para ser transmitida em grandes distâncias: antes de ser introduzida nas linhas de transmissão, a eletricidade passa então pelo transformador, o que diminui a intensidade da corrente produzida pelo gerador elétrico rotativo, mas aumenta sua voltagem.
Quando chega ao local de uso, antes de ser utilizada, a energia passa novamente por um transformador, o que desta vez aumenta a intensidade da corrente e diminui a tensão para que seja adequada para uso industrial, comercial ou doméstico. 
Tipos de turbinas hidráulicas:
A turbina hidráulica (chamada de forma técnica de “turbina de fluidos incompreensíveis”), elemento fundamental das usinas PCHs e UHEs, é responsável por transformar energia cinética da água em energia mecânica, para posterior energia elétrica.
A turbina apresenta duas partes: o distribuidor (ou estator) e o difusor, que são fixos e servem para conduzir e regular a água; e o impulsor, que corresponde à roda e transfere a energia cinética da água. As turbinas mundialmente utilizadas em pequenas centrais hidrelétricas são: Francis, Pelton, Kaplan e Bulbo. Elas são divididas em turbinas de impulso (Pelton), nas quais a água escoa perpendicularmente ao eixo de rotação e tangencialmente à turbina; radial (Francis), com o escoamento da água perpendicularmente em relação ao eixo, e axial (Kaplan), quando a água flui de maneira paralela ao eixo de rotação.
Criada em 1849 pelo engenheiro estadunidense James Bicheno Francis a partir da turbina patenteada nove anos antes por Samuel Dowd, a turbina Francis é radial centrípeta, de modo que a água entra em forma perpendicular ao eixo. É o tipo mais usado devido à sua adaptabilidade, sendo aplicada principalmente em situações com rendimento máximo, nas quais existe diferença de altura média (45 a 400m de queda) e fluxos hídricos entre 10 e 700m³/s de vazão. Podem ser lentas, normais e rápidas, a depender da forma da roda.
Já a turbina Pelton (também conhecida como turbina de jato livre) foi criada pelo estadunidense Lester Allen Pelton em 1879. Sua lógica é semelhante à da operação das rodas dos moinhos, porque é uma turbina tangencial que transporta a água para a tubulação de forma lateral. Apresenta um rotor com pás em forma de conchas e um distribuidor composto por bocais com jatos, sendo a alta velocidade da água no jato sua principal característica. É utilizada em contextos com pequena vazão e grande queda (de 350 a 1100m) e cursos inferiores a 50m³/s, com o propósito de atingir velocidades superiores. Em mini hidrelétricas, pode ser utilizada em quedas menores de 20m.
Devido ao fato de poder substituir um número de injetores de uma determinada dimensão por injetores maiores, ela possibilita a construção de turbinas com diâmetro maior e, consequentemente, com maior velocidade.
A turbina Kaplan, desenvolvida em 1913 pelo austríaco Viktor Kaplan (1876–1934), é axial e funciona a partir do princípio da hélice de navios: a água movimenta as hélices paralelamente em relação ao eixo do impulsor, que apresenta roda em formato de hélices. Da mesma forma que a Francis, a Kaplan foi criada a partir do aperfeiçoamento de uma anterior, a Turbina Hélice, que apresentava pás fixas, enquanto Viktor Kaplan possibilitou a existência de pás móveis. Por conta de ser possível ajustar o ângulo das hélices conforme a descarga (o que pode encarecer a turbina), ela apresenta alto desempenho em contextos com pequena queda de água, mas com grande volume (acima de 200m³/s). Seu rendimento máximo fica entre 60% e 70%. Quando comparada à Francis e à Pelton, apresenta o maior custo considerando o kW.
Por fim, a Turbina Bulbo (também chamada de Open Pit), criada por Arno Fisher em 1933, foi projetada para se pensar na preservação do meio-ambiente. É utilizada em quedas muito pequenas, comumente a fio de água, de forma que não é necessária a criação de grandes reservatórios, o que reduz os impactos. Além disso, por apresentar uma versão compacta da Kaplan, ao possuir (em sua maioria) pás móveis, demanda menor volume de obras e, consequentemente, apresenta custo baixo — embora o custo do equipamento seja superior ao das turbinas tradicionais.
Tipos de usina hidrelétrica:
Usina a fio d’água: Para evitar os prejuízos acarretados pela construção de usinas hidrelétricas tradicionais, foram criadas as usinas a fio d’água, opção mais sustentável que não utiliza grandes reservatórios de água, reduzindo a estrutura das barragens e a dimensão dos alagamentos. Nesse modelo, aproveita-se a força da correnteza dos rios para gerar energia, sem precisar estocar a água.
Usinas como a de Santo Antônio e Jirau, no Rio Madeira, e a de Belo Monte, no Pará, têm suas estruturas baseadas no conceitofio d’água. Mesmo dispensando grandes reservatórios, essas usinas mantêm uma reserva mínima para garantir sua operação e estabilidade.
Apesar de apresentar vantagens socioambientais, a usina a fio d’água diminui a segurança energética do país. Isso porque, em períodos de seca prolongada, essas estruturas podem ficar sem água para gerar eletricidade, uma vez que seus reservatórios com tamanho reduzido não permitem funcionamento por longos períodos.
Segundo especialistas, uma alternativa para compensar a limitação do potencial dessas usinas é investir em fontes complementares. Desse modo, nos períodos em que hidrelétricas a fio d’água operam com baixa capacidade, pode-se recorrer à geração de energia através de fontes eólicas ou solares, garantindo o abastecimento e equilibrando os impactos causados por cada uma.
Usinas com reservatórios de acumulação: As usinas hidrelétricas com reservatórios de acumulação armazenam água e regulam seu funcionamento para atender as demandas de energia. A capacidade de armazenamento é obtida por meio de uma represa situada a montante da usina e dependendo de sua capacidade se fala de regulação sazonal, anual e hiperanual.
O sistema de uma usina hidrelétrica é composto por:
Barragem: A finalidade da barragem é interromper o ciclo natural do rio, criando um reservatório de água. Além de estocar esse recurso, o reservatório:
· cria o desnível de água;
· capta água em volume adequado para a produção de energia elétrica;
· regula a vazão dos rios em períodos de chuva e estiagem.
Sistema de captação (adução) de água: Esse sistema é composto por túneis, canais e condutos metálicos que levam a água até a casa de força.
Casa de força: É nessa parte do sistema que se encontram as turbinas, conectadas a um gerador. Esse instrumento permite que o movimento das turbinas faça a conversão da energia cinética do movimento da água em energia elétrica. Existem vários tipos de turbina, sendo pelton, kaplan, francis e bulbo os principais. A turbina mais apropriada para cada usina hidrelétrica depende da altura de queda e da vazão do rio.
Canal de fuga: Após passar pelas turbinas, a água é restituída ao leito natural do rio pelo canal de fuga. O canal de fuga está localizado entre a casa de força e o rio. Assim, seu dimensionamento depende do tamanho da casa de força e do rio em questão.
Vertedouro: O vertedouro permite a saída de água caso o nível do reservatório ultrapasse os limites recomendáveis, o que normalmente ocorre em períodos de chuva. O vertedouro é aberto quando a produção de energia elétrica é prejudicada porque o nível de água está acima do nível ideal; ou para evitar transbordamento e enchentes no entorno da usina, eventos comuns em períodos muito chuvosos.
Em resumo temos: 
Transmissão: 
Transmissão de energia elétrica é o transporte de energia elétrica da central geradora até as subestações distribuidoras, ou entre duas, ou mais centrais geradoras. Em outras palavras, a transmissão é o transporte entre os pontos de geração e de consumo, seu papel é essencial no setor elétrico, uma vez que permite a operação do sistema com a possibilidade de se explorar as vantagens comparativas de diversas fontes. Isso porque a malha de transmissão permite que a energia gerada por fontes renováveis e usinas eficientes possam estar ao alcance de todos os usuários da rede. Toda a malha de transmissão compõe o Sistema Interligado Nacional (SIN).
Também é a transmissão que permite aumentar a confiabilidade do sistema ao integrar todos os recursos disponíveis. 
Conforme a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), a rede primária de transmissão é responsável pelo transporte de energia elétrica para o atendimento de grandes centros consumidores e alimentação de eventuais grandes consumidores industriais. Já a rede secundária (subtransmissão), é uma extensão da transmissão, que visa ao atendimento de pequenas cidades e outros consumidores industriais de grande porte.
Como funciona: As linhas de transmissão, como se disse, são as responsáveis por transportar a energia das usinas para os consumidores. Em linhas gerais, circuitos de transmissão possuem tensões e correntes específicas. O que define a tensão de uma linha de transmissão é a potência que vai ser transmitida e a distância entre o ponto de geração e os centros de consumo.
Tensões de geração não são muito elevadas, sendo algo da ordem de 20 kV, devido à segurança operativa, entre outros motivos.
Para transmitir energia elétrica, portanto, são necessários equipamentos que elevem a tensão para o transporte e a reduzam quando no ponto de consumo.
Por isso, as linhas de transmissão são conectadas em subestações, onde se instalam os transformadores, equipamentos que elevam ou reduzem tensões sendo construídos a partir de princípios eletromagnéticos. Nas subestações também se encontram equipamentos de medição, controle e proteção do sistema elétrico.
As tensões de transmissão usualmente adotadas no Brasil, em corrente alternada, podem variar de 138 kV até 765 kV incluindo neste intervalo as tensões de 230 kV, 345 kV, 440 kV e 500 kV.
Componentes de uma linha de transmissão:
Condutores: Um fator importante na minimização dos custos de transmissão e de distribuição está ligado à escolha dos cabos condutores das linhas! Eles são os elementos ativos das linhas e determinam o desempenho e o custo da transmissão. Os aspectos que os condutores devem ter para serem considerados bons são:
· Alta condutibilidade elétrica
· Baixo custo
· Boa resistência mecânica
· Baixo peso específico
· Alta resistência à oxidação/corrosão
Os metais que apresentam o maior número dessas propriedades são o cobre e o alumínio. O cobre possui uma condutividade maior e necessita de uma menor seção transversal em relação ao alumínio. Já o alumínio possui peso menor em relação ao cobre, pode ser usado em estruturas de sustentação mais leves e possui um custo mais baixo. No Brasil, o condutor mais utilizado é o alumínio!
Há também um sistema de amortecimento nos cabos condutores, que contém amortecedores e espaçadores, para evitar o risco de contato entre os cabos, além de evitar a vibração dos cabos por influência do vento.
Estruturas de suporte: As estruturas de suporte ou torres das linhas de transmissão são os elementos que garantem a sustentação dos cabos condutores e para-raios. Suas dimensões e formas dependem da disposição dos condutores, da distância entre os condutores, dos materiais estruturais e do número de circuitos.
Em geral, os materiais constituintes mais comuns são o aço, o concreto e a madeira! Elas podem possuir disposição triangular, horizontal ou vertical. Na imagem abaixo, é possível ver essas disposições.
Isoladores: Os isoladores têm a função de fixar e isolar os cabos às estruturas, além de evitar a passagem de corrente do condutor para a estrutura de suporte. Eles são fabricados em vidro temperado, porcelana e resina sintética. Os esforços são transmitidos pelos isoladores às estruturas, que devem absorvê-los. É possível observar na imagem abaixo exemplos de isoladores.
Faixa de servidão: Junto às estruturas de sustentação existe a faixa de servidão, que é a faixa de terra necessária na construção, operação e manutenção da linha de transmissão. Após a passagem da linha, os proprietários de terra podem usar parte da faixa de servidão, respeitando restrições que garantem a segurança dos moradores, do imóvel e do empreendimento.
Redes de distribuição:
As redes de distribuição são compostas por linhas de baixa, média e alta tensão, sendo que as linhas de transmissão que possuem uma tensão igual ou superior a 230 kV são denominadas de rede básica.
Apesar de algumas transmissoras de energia elétrica possuírem linhas com tensão abaixo de 230 kV, grande parte das linhas de transmissão com tensão entre 69 kV e 138 kV são de responsabilidade das empresas distribuidoras de energia e são conhecidas no setor como linhas de subtransmissão.
As distribuidoras de energia operam linhas de média e baixa tensão, também chamadas de redes primária esecundária, respectivamente. As linhas de média tensão possuem uma tensão elétrica entre 2,3 kV e 44 kV, e podem ser facilmente vistas em ruas e avenidas das grandes cidades, sendo compostas geralmente por três cabos aéreos, sustentados por cruzetas de madeira em postes de concreto.
Por outro lado, as redes de baixa tensão, possuem uma tensão que pode variar entre 110 e 440V dependendo da região, elas são afixadas nos mesmos postes de concreto que sustentam as redes de média tensão, localizadas a uma altura inferior.
Tipos de redes de distribuição:
Existem quatro tipos de redes de distribuição de energia elétrica que são, rede de distribuição aérea convencional, rede de distribuição aérea compacta, rede de distribuição aérea isolada e rede de distribuição subterrânea, onde:
· Rede de Distribuição Aérea Convencional: É o tipo de rede elétrica mais comum no Brasil, onde os condutores elétricos não possuem isolamento e por isso essas redes estão mais vulneráveis à ocorrência de curto-circuito.
· Rede de Distribuição Aérea Compacta: As redes compactas são muito mais protegidas que as redes convencionais, não somente porque os condutores tem uma camada de isolação, mas porque a rede em si ocupa um espaço menor, reduzindo o número de perturbações.
· Rede de Distribuição Aérea Isolada: Esse tipo de rede é bem protegido, pois os condutores são encapados com isolação suficiente para serem trançados, ela é geralmente mais cara e utilizada em condições especiais.
· Rede de Distribuição Subterrânea: A rede subterrânea é aquela que proporciona o maior nível de confiabilidade e oferece melhor resultado estético, pois as redes ficam enterradas, sem a possibilidade de poluição visual. Apesar das vantagens citadas, as redes subterrâneas em comparação com os demais tipos de rede, elas são bem mais caras, sendo comuns apenas em regiões mais densas ou onde há restrições para a instalação das redes aéreas.
Subestações: 
Uma subestação é uma instalação elétrica formada por um conjunto de equipamentos responsáveis pela transmissão e distribuição da energia elétrica, além de equipamentos de proteção e controle.
As subestações de energia são responsáveis pela distribuição da energia elétrica. Antes de chegar às casas, a eletricidade percorre um sistema de transmissão que começa nas usinas e passa por estas estações, onde equipamentos chamados transformadores fazem o aumento ou a diminuição da tensão.
Quando elevam a tensão elétrica, os transformadores evitam a perda excessiva de energia ao longo do percurso. Quando rebaixam a tensão, já nos centros urbanos, permitem a distribuição da energia pela cidade.
As subestações podem ser classificadas quanto à sua função, nível de tensão, sua instalação ou forma de operação.
Subestação Transformadora: responsável por converter a tensão para um nível diferentes, maior ou menor.
Subestações elevadoras: ficam localizadas na saída de usinas geradoras e elevam o nível de tensão para subtransmissão.
Subestações abaixadoras: diminuem os níveis de tensão evitando problemas para as cidades e a população
Subestação de distribuição: conseguem distribuir o nível de tensão para o primário e normalmente são de concessionárias ou grandes consumidores.
Subestação de seccionadora: é ela que interliga circuitos sob o mesmo nível tornando possível sua distribuição, além de possibilitar a chegada de energia para linhas de menor comprimento.
Externa: As subestações externas ficam expostas às ações e intempéries naturais como calor, vento, chuva, poluição, entre outros. Por isso, demandam manutenção frequente e uso de equipamentos mais resistentes, como à prova d’água por exemplo, ou que devam ser substituídos com alguma frequência.
Abrigada: As subestações abrigadas normalmente são encontradas próximas ao centro de carga. Como o nome sugere, elas são abrigadas das ações naturais em construções dentro de edificações ou por câmaras subterrâneas.
Blindada: Por se tratar de níveis de alta tensão, as subestações blindadas necessitam que todos os seus equipamentos e componentes sejam protegidos por invólucros metálicos e usam o gás hexafluoreto de enxofre (SF6) como isolador.
Níveis de tensão de subestações:
As subestações também se diferem quanto aos níveis de tensão elétrica e são divididas em: baixa, média, alta e extra-alta tensão.
Baixa tensão: subestações com níveis de tensão de até 1 kV.
Média tensão: subestações com níveis de tensão entre 1 kV e 34,5 kV.
Alta tensão: subestações com níveis de tensão entre 34,5 kV e 230 kV. 
Extra-alta tensão: subestações com níveis de tensão maiores do que 230 kV.
Equipamentos que compõem as Subestações:
· Seccionadoras;
· Disjuntores;
· Transformadores de Corrente (TC);
· Transformadores de Potencial (Depende do nível de tensão da SE);
· Transformador de Potencial Capacitivo (Depende do nível de tensão da SE);
· Pára-Raios;
· Banco de Capacitores;
· Barramento;
· Religador (De diferentes modelos, diferentes parametrizações, tem o mesmo princípio e funcionalidade porem chegam a ser equipamentos bem diferentes na parte construtiva);
· Cubículos de Media Tensão para (atendimento dos serviços auxiliares);
· Bancos de baterias (atendimento dos serviços auxiliares);
· Retificadores de 125 Vcc e 48 Vcc (atendimento dos serviços auxiliares e Telecom);
· Relés de proteção (atendimento a SPCS);
· Transformador Elevador ou Rebaixador;
· Banco de Reatores.
Em resumo:
O processo desde a geração de energia que escolhi até a chegada ao consumidor se passa da seguinte forma: 
· Geração de energia pela Usina Hidrelétrica;
· Transmissão de energia elétrica (linhas de transmissão e subestações); 
· Distribuição de energia elétrica (linhas de transmissão e subestações).