Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica Aula 08 01 03 16

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Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
Professor: Paulo Roberto Costa Silva 
E-mail: pr@task.com.br 
ENGENHARIA ELÉTRICA – GRADUAÇÃO 
EMENTA 
1. ESTRUTURA DA INDÚSTRIA DE ENERGIA ELÉTRICA 
 
2. REPRESENTAÇÃO DAS REDES DE ENERGIA ELÉTRICA 
 
3. LINHAS DE TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO 
 
4. FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO 
 
5. PLANEJAMENTO E OPERAÇÃO 
 
6. COORDENAÇÃO DO ISOLAMENTO 
 
7. MONITORAMENTO E DIAGNÓSTICO DE FALHAS EM EQUIPAMENTOS 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Processo ocorre em duas etapas: 
 
• 1ª etapa: Uma máquina primária transforma qualquer tipo de energia, normalmente 
hidráulica ou térmica, em energia cinética de rotação 
 
• 2ª etapa: Um gerador elétrico acoplado à máquina primária transforma a energia 
cinética de rotação em energia elétrica. 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Definição: 
• A geração de energia elétrica é a transformação de qualquer tipo de energia em 
energia elétrica 
Definição Geração 
Modelo da Rede Ativa 
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Processo 
• Uma turbina hidráulica transforma a energia potencial da água em desnível, em energia 
cinética de rotação que é transferida a um eixo acoplado a um gerador 
Geração 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
Cogeração 
• Cogeração de energia é definida como o processo de produção combinada de calor e 
energia elétrica (ou mecânica), a partir de um mesmo combustível, capaz de produzir 
benefícios sociais, econômicos e ambientais 
Geração 
• A atividade de cogeração contribui efetivamente para a racionalização energética, uma 
vez que possibilita maior produção de energia elétrica e térmica a partir da mesma 
quantidade de combustível 
• Diferentemente da geração, na cogeração a energia térmica, ou outro tipo de energia, é 
utilizado diretamente nos processos de manufatura, tais como fornos, caldeiras, dentre 
outros 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
Cogeração 
• Produção de Etanol, Energia Elétrica e Açúcar 
Geração 
Etanol 
Energia Elétrica 
Açúcar 
Modelo da Rede Ativa 
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Fontes de Energia 
• Não Renováveis: 
 
• Aquela cuja velocidade de reposição natural é 
inferior à velocidade de sua utilização pela 
humanidade 
 
• Apresentam uma característica exaurível 
(finita), de utilização. 
• Ex: carvão mineral e seus derivados, o 
petróleo e derivados, o gás natural, xisto, 
turfa, e o urânio 
 
• São resultados de um processo que leva 
milhões de anos para converter luz do sol em 
hidrocarbonetos 
Geração 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Renováveis 
 
• Aquela cuja velocidade de reposição natural é 
superior à velocidade de sua utilização 
 
• Apresentam uma característica de utilização 
infinita. 
• Exemplos: 
• energia solar, a hidráulica, a eólica 
• oceanos (onda, maré e correntes 
marítimas) 
• carvão vegetal, quando renovado por 
ações de reflorestamento 
• biomassa (lenha, resíduos agrícola) 
• biocombustível (etanol, biodiesel e 
óleos vegetais) 
• Biogás 
• energia geotérmica 
Geração 
Modelo da Rede Ativa 
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• Matriz Energética Global 
Geração Fontes de Energia 
Modelo da Rede Ativa 
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• Capacidade instalada e contratação nos leilões de energia nova 2005-2013 
Geração Fontes de Energia 
Modelo da Rede Ativa 
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• O sistema de geração é formado pelos seguintes componentes: 
• Máquina primária; 
• Geradores; 
• Transformador; 
• Sistema de controle, comando e proteção 
Geração 
• Maquina Primária: 
• Faz a transformação de qualquer tipo de energia em energia cinética de rotação 
para ser aproveitada pelo gerador 
• Exemplos: motor diesel, turbina hidráulica, a vapor, a gás e eólicas. 
• Geradores: 
• Gerar a energia elétrica ou reativos para sistema (síncrono) 
Fontes de Energia 
Modelo da Rede Ativa 
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• Transformadores: 
 
• Gerada a energia elétrica, existe a necessidade de se compatibilizar o nível da 
tensão de saída com a tensão do sistema ao qual o grupo gerador será ligado 
Geração 
• Controle, Comando e Proteção 
 
• Para interligar um grupo gerador a uma rede de transmissão ou distribuição são 
necessários: 
 
• Controle da tensão de saída do gerador (+/- 10%) 
 
• Sincronismo com a rede 
 
• Comandar o fechamento/abertura da linha 
Fontes de Energia 
Modelo da Rede Ativa 
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• Esquema Unifilar de Usina de Geração: 
Geração Fontes de Energia 
Modelo da Rede Ativa 
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• Classificação das Usinas de Geração: 
• Base 
• Intermediária 
• Ponta (Pico) 
Geração 
• Usina de Base: 
• Gera continuamente a plena carga 
• Exemplo: Usina Nuclear, Usina Térmica à Carvão e Hidráulica 
• Usina de Potência Intermediária 
• Responde relativamente rápida às mudanças de demanda, em geral, pela adição 
ou retirada de unidades geradoras 
• Exemplo: Usinas Hidráulicas 
Fontes de Energia 
Modelo da Rede Ativa 
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• Usina de Ponta: 
 
• São colocadas em operação em períodos de demanda alta 
 
• Entregam potência durante pequenos intervalos durante o dia 
 
• São usinas de custo elevado porque permanecem na maior parte do tempo 
paradas 
• Ex.: Usinas de armazenamento por bombeamento geradores a diesel, 
turbinas a gás; 
 
• A localização física das usinas de geração deve ser cuidadosamente planejada 
 
• Próxima à fonte primária de energia e uso das linhas de transmissão para o 
transporte da energia 
• Ex.: Minas de carvão; cachoeiras, rios 
 
• Próxima ao centro de carga, com transporte do recurso energético primário 
até a usina de geração 
• Ex.: Transporte de carvão, urânio, petróleo e gás por navio, trem ou 
dutos 
Geração Fontes de Energia 
Modelo da Rede Ativa 
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• Comparativo entre formas de Geração Elétrica: 
Geração Fontes de Energia 
Modelo da Rede Ativa 
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• A produção de energia elétrica é caracterizada por processos do tipo: 
 
• Eletromecânico 
• Hidráulico 
• Térmico 
• Eólico 
• Maremotriz 
• Fotovoltaico 
• Químico 
Geração Fontes de Energia 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Utiliza o movimento e a queda d’água de rios para geração de energia elétrica 
Geração 
• Normalmente constroem-se diques que represam o curso da água, acumulando-a num 
reservatório que se chama barragem 
 
• Esse tipo de usina hidráulica é denominado usina com reservatório de acumulação 
• Em outros casos, existem diques que não param o curso natural da água, mas a 
obrigam a passar pela turbina de forma a produzir eletricidade, denominando-se usinas 
a fio de água 
Geração Hidrelétrica 
• O conjunto turbina-gerador gira a velocidades relativamente baixas, de 50 a 300 rpm, 
quando comparadas às turbinas a vapor 
Modelo da Rede Ativa 
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• Geração Hidrelétrica de Energia Elétrica 
Geração Geração Hidrelétrica 
Modelo da Rede Ativa 
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• O númerode par de polos dos geradores é relativamente grande: 
𝑛. 𝑝 = 120. 𝑓 
• Onde: 
• 𝑛 = velocidade angular em rpm 
• 𝑓 = frequência em Hz 
• 𝑝 = número de polos 
Geração Geração Hidrelétrica 
Modelo da Rede Ativa 
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• A quantidade de energia produzida é proporcional à: 
• Vazão da água 
• Altura do nível do reservatório 
Geração 
• Potência gerada em kW => 𝑃 = 𝜌.𝑄.𝐻. 𝑔. 𝜂 (Kw) 
• Onde: 
• 𝑃 = potência em kW 
• 𝜌 = densidade da água em kg/m3 
• 𝑄 = vazão da água em m3/s 
• 𝐻 = altura da coluna d’água em m 
• 𝑔 = aceleração da gravidade em m/s2 
• 𝜂 = rendimento do sistema em pu 
Geração Hidrelétrica 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• As principais causas de perda de energia nas turbinas são: 
 
• Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e 
esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada pela turbina 
 
• Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor 
perdido pelo aquecimento dos mancais 
Geração 
• Basicamente existem dois tipos de turbinas hídricas: 
 
• Turbinas de reação ou propulsão - são turbinas em que o trabalho mecânico é 
obtido pela transformação das energias cinéticas e de pressão da água em 
escoamento através do rotor 
• As turbinas de reação são as do tipo Francis e Kaplan 
 
• Turbinas de ação ou impulso - aquela em que o trabalho mecânico é obtido pela 
obtenção da energia cinética da água em escoamento através do rotor 
• As turbinas de ação são as do tipo Pelton 
Geração Hidrelétrica 
Modelo da Rede Ativa 
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• Características das Turbinas: 
Geração Geração Hidrelétrica 
• Caixa espiral 
 
• Pré-distribuidor 
 
• Distribuidor 
 
• Rotor e eixo 
 
• Tubo de sucção 
Modelo da Rede Ativa 
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• Turbina Francis - Reação: 
Geração 
• Desenvolvida pelo engenheiro estadunidense James B. Francis em 1849 
• Caracterizada por ter uma roda formada por uma coroa de aletas fixas, as quais 
constituem uma série de canais hidráulicos que recebem a água radialmente e a 
orientam para a saída do rotor numa direção axial 
Geração Hidrelétrica 
• As Usinas hidrelétrica de Itaipu, Tucuruí, Furnas, Foz do Areia, Salto Pilão e outras no 
Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda de água 
• As turbinas Francis, relativamente às Pelton, têm um rendimento máximo mais elevado, 
velocidades maiores e menores dimensões 
• Turbinas Francis são adequadas para operar entre quedas de 40 m até 400 m 
Modelo da Rede Ativa 
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• Turbina Francis - Reação: 
Geração Geração Hidrelétrica 
Modelo da Rede Ativa 
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• Turbina Kaplan e Hélice - Reação 
Geração 
• Adequada para operar entre quedas até 60 m 
• A única diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o rotor 
• Assemelha-se a um propulsor de navio (similar a uma hélice) 
• São constituídas por uma câmara de entrada que pode ser aberta ou fechada, por um 
distribuidor e por uma rotor com quatro ou cinco pás em forma de hélice 
Geração Hidrelétrica 
• Se as pás são móveis, o que permite variar o ângulo de ataque por meio de um 
mecanismo de orientação, diz-se que a turbina é do tipo Kaplan 
• Quando estas pás são fixas diz-se que a turbina é do tipo Hélice 
• Um servomotor montado normalmente dentro do cubo do rotor, é responsável pela 
variação do ângulo de inclinação das pás 
Modelo da Rede Ativa 
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• Turbina Kaplan e Hélice - Reação 
Geração Geração Hidrelétrica 
Modelo da Rede Ativa 
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• Turbina Pelton - Ação 
Geração 
• São turbinas de ação porque utilizam a velocidade do fluxo de água para provocar o 
movimento de rotação 
• Nas turbinas Pelton, não há um sistema de palhetas móveis, e sim um bocal com uma 
agulha móvel, semelhante a uma válvula 
Geração Hidrelétrica 
• A potência mecânica fornecida por estas turbinas é regulada pela atuação nas válvulas 
de agulha dos injetores 
• Sua constituição física consiste numa roda circular que na sua periferia possui um 
conjunto de conchas sobre os quais incide(m), tangencialmente, um(s) jato(s) de água 
dirigido(s) por um ou mais injetores distribuídos de forma uniforme na periferia da roda 
Modelo da Rede Ativa 
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• Turbina Pelton - Ação 
Geração 
• Dependendo da potência que se queira gerar podem ser acionados os 6 bocais 
simultaneamente, ou apenas cinco, quatro, etc; 
• Um dos maiores problemas destas turbinas, devido à alta velocidade com que a água 
se choca com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito abrasivo da areia misturada 
com a água, comum em rios de montanhas 
Geração Hidrelétrica 
• As turbinas Pelton, devido a possibilidade de acionamento independente nos diferentes 
bocais, tem uma curva geral de eficiência plana, que lhe garante boa performance em 
diversas condições de operação, tendo um rendimento de até 93% 
• Utilizada em aproveitamentos hidrelétricos caracterizados por pequenos caudais e 
elevadas quedas úteis (250 a 2500 m), sendo por isto, muito mais comuns em países 
montanhosos 
Modelo da Rede Ativa 
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Geração Geração Hidrelétrica 
• Turbina Pelton - Ação 
Modelo da Rede Ativa 
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Geração Geração Hidrelétrica 
• Foram inventadas na década de 30 e aplicadas na década de 1960, na França, para a 
usina maremotriz de La Rance e depois desenvolvidas para outras finalidades 
• Turbina Bulbo - Ação 
• Operam em quedas abaixo de 20 m 
• Possui a turbina similar a uma turbina Kaplan horizontal, porém devido à baixa queda, o 
gerador hidráulico encontra-se em um bulbo por onde a água flui ao seu redor antes de 
chegar às pás da Turbina 
• No Brasil as Usinas de Santo Antônio e Jirau, a fio d’água no rio Madeira (Rondônia), 
tem instaladas 44 turbinas do tipo Bulbo com potência unitária igual a 73 MW e 75 MW, 
respectivamente 
• Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 99%, que varia 
conforme a vazão de água e a potência gerada 
Modelo da Rede Ativa 
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Geração Geração Hidrelétrica 
• Turbina Bulbo - Ação 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Comparativo entre as Turbinas 
Geração Geração Hidrelétrica 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Geração Termoelétrica de Energia Elétrica 
Geração 
• O processo de Transformação Termoelétrica, utiliza a energia térmica obtida pela 
combustão de combustível fóssil e resíduos agroindustriais, ou a energia térmica 
liberada em reações nucleares 
Geração Termoelétrica 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Quantidade de usinas e o tipo de combustível fóssil em operação no Brasil atualmente: 
Geração Geração Termoelétrica 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Tipos de turbinas: 
Geração Geração Termoelétrica 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• As centrais Diesel, apesar de sua limitação de potência, ruído e vibração, constituem 
um tipo de central muito utilizado até potências de 40 MW: 
Geração Geração Termoelétrica 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Diagrama de 
usinas 
termelétricas:capacidade 
instalada prevista 
para 2023 
Geração Geração Termoelétrica 
Modelo da Rede Ativa 
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• A eficiência total de uma usina nuclear é também semelhante à de uma usina térmica, 
cerca de 30 a 40% 
Geração 
• As usinas nucleares são normalmente operadas como usinas de base 
Geração Termonuclear 
• O Brasil possui a 6ª maior reserva mundial de urânio, com reservas nos estados da 
Bahia (Caetité), Ceará (Santa Quitéria), Paraná e Minas Gerais 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Os reatores nucleares são caracterizados, basicamente, por três elementos: 
• Tipo de combustível (urânio, tório, plutônio, etc.) 
• Tipo de refrigerante 
• Tipo de moderador 
Geração Geração Termonuclear 
Modelo da Rede Ativa 
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Geração Geração Termonuclear 
Modelo da Rede Ativa 
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• Geração Eólica de Energia Elétrica 
Geração 
• Ventos Locais: Resultam das condições locais de cada região ocorrendo a baixas 
altitudes e sendo, por isso, bastante influenciados pela superfície terrestre, sobretudo 
pelo seu relevo 
Geração Eólica 
• Estudos mostram que o Brasil tem um dos maiores potenciais eólicos em todo o mundo 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Os principais tipos de turbinas de eixo vertical são: 
Geração 
• Turbinas de Savonius - operam com um elevado torque e podem apresentar uma curva 
de rendimento em relação à velocidade bastante próxima da curva de rendimento das 
turbinas de eixo horizontal de múltiplas pás 
Geração Eólica 
• Turbinas Darrieus - são movidas por forças de sustentação e constituídas por lâminas 
curvas de perfil aerodinâmico, ligadas pelas extremidades ao eixo vertical 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Estrutura de um Aerogerador: 
Geração 
• Os principais componentes 
de um aerogeradores eólico 
de eixo horizontal são: 
 
• Torre 
• Pás 
• Cubo 
• Eixo principal 
• Caixa de engrenagem 
• Gerador 
• Anemômetro e 
anemoscópio 
• Sistema de controle 
Geração Eólica 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Estrutura de um Aerogerador: 
Geração Geração Eólica 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• A potência de uma turbina eólica está diretamente relacionada com o diâmetro do rotor, 
sendo tanto mais elevada quanto maior for este diâmetro 
Geração 
• Relação entre o diâmetro do rotor e a 
potência de uma turbina eólica 
Geração Eólica 
• Evolução das turbinas eólicas 
Modelo da Rede Ativa 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica 
• Integração dos Parques Eólicos ao SEP; 
Geração Geração Eólica 
Próxima Aula 
• Unidade II 
• Próxima Rede Ativa – Curvas de Carga 
 
• Sugestão: 
• Ver Ementa do Curso 
• Fontes de leitura [8], [10] a [12] e [18] 
 
• Boa Noite! 
Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica