Apostila sistemas de energia - capitulo 7

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CAPITULO 7 
 
DISTRIBUIÇÃO DE 
ENERGIA 
 
Uma rede de distribuição deve fazer a energia chegar até os consumidores de 
forma mais eficiente possível. A distribuição pode ser suprida por várias linhas de 
transmissão, dispondo de várias subestações redutoras e estas podem conter múltiplos 
transformadores, formando assim várias redes de distribuição. Também pode haver 
várias tensões de distribuição primária. Indústrias de grande porte em geral são supridas 
com tensões bastante altas, às vezes a da própria transmissão, para evitar altos custos da 
rede. As linhas de transmissão convergem para as SEs de distribuição. A depender da 
potência instalada do consumidor, o nível de tensão que chega até ele pode variar de 
500 kV (Alumar), 230 kV (CVRD), 69 kV (Indústria da Coca-Cola), 13.8 kV (pequenas 
indústrias, comercio, escolas, entre outros) até 380/220/127 V (consumidores 
residenciais). 
7.1 SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO 
O sistema de distribuição pode ser dividido em três áreas: subtransmissão, 
distribuição primária e distribuição secundária. 
As concessionárias geralmente recebem das geradoras linhas trifásicas a três 
condutores nas tensões de 500 e 230 kV. Próximo dos centros de cargas tem-se SEs de 
subtransmissão que diminuem para um nível de tensão intermediário entre a transmissão 
e a distribuição propriamente dita, sendo também trifásica a três condutores. Atualmente 
os níveis de subtransmissão no Brasil são de 138 e 69 kV. Os alimentadores neste nível 
de tensão são utilizados na distribuição para indústrias de médio porte e para entrada das 
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SEs de distribuição. 
Chama-se distribuição primária a repartição de energia feita pelas SEs de 
distribuição nos centros urbanos. A tensão primária é o valor de tensão utilizado para 
realizar essa distribuição de energia. Dentro da zona urbana geralmente a tensão 
primária de distribuição é de 13.8 kV. Existem ainda outros níveis de tensões primárias 
normalizadas, atendendo localidades específicas, tais como 23 kV (existente em São 
Roque - SP); 3,8 kV em alguns pontos da cidade de São Paulo; 6,6 kV em Santos e São 
Vicente. No interior do Estado de São Paulo há o nível 11,9 kV (por exemplo, em 
Campinas) e em alguns casos a tensão de 34,5 kV é usada na distribuição primária. Das 
SEs de distribuição originam-se alimentadores trifásicos geralmente a três condutores 
que se interligam aos transformadores de baixa tensão aéreos ou a consumidores em 
tensão primária. Os consumidores que recebem em tensão primária dispõem de suas 
próprias subestações para rebaixar a tensão ao nível de alimentação dos seus 
equipamentos. A distribuição primária também pode ser trifásica a quatro condutores, 
bifásica a três condutores, monofásicas a dois condutores ou monofásica a um condutor. 
Esta última versão é mais recente, sendo de aplicação restrita a eletrificação rural, 
justamente por ter um custo de instalação muito baixo, mas as perdas elétricas são 
maiores. Nela o retorno da corrente se faz pelo solo. 
A tensão primária também alimenta os transformadores de baixa tensão 
localizados nos postes que reduzem a tensão ao nível de ligação de aparelhos elétricos 
comuns (127/220/380 V), para consumidores de pequeno porte. É chamada de 
distribuição secundária. Neste caso a rede é formada por quatro fios (separados e sem 
isolação ou juntos e com isolação) que se observam na parte intermediária dos postes. 
Algumas vezes tem-se 5 fios onde o 5º condutor é usado na iluminação pública. 
Quanto ao nível de tensão de distribuição secundária observam-se os seguintes 
valores nominais mais freqüentes no Brasil: 
• 127/220 V; ou 220/380 V para as redes que utilizam transformadores com 
secundário em estrela aterrado. (Valores entre fase e neutro/ valores entre 
fases) 
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• 115/230 V; para as redes que utilizam transformadores com secundário em 
delta aberto ou delta fechado (delta com neutro), utilizado pela Eletropaulo 
(valor entre fase e neutro e entre fases). 
7.2 ALIMENTADOR PRIMÁRIO 
Existe uma variedade de circuito alimentador primário. Cada um possui grau de 
qualidade e custo próprios. Embora existam várias configurações usuais do sistema de 
distribuição à configuração radial é, de longe, a que predomina por ser simples e 
econômica. Os alimentadores primários aéreos operam normalmente de maneira radial, 
ou seja, possui apenas um caminho energizado entre as subestações e cada um dos 
pontos de consumo. Os alimentadores primários radiais têm início nas subestações e 
compreendem o tronco, parte principal e os ramais. O alimentador pode ser visto como 
uma coleção de barras que são interligadas por trechos. Cada trecho tem as seguintes 
propriedades: comprimento, tipo de cabo, barra de origem e barra destino. Nas barras há 
eventualmente cargas instaladas de potências ativas e reativas conhecidas (Figura 7.1). 
 
Figura 7.1 – Alimentador Primário. 
O alimentador primário pode ser aéreo (mais comum) que é fixo em postes por 
isoladores ou subterrâneo. Podem-se ter os seguintes tipos de redes aéreas: 
convencional, protegida e isolada. 
As redes primárias convencionais são construídas com os condutores nus. Por 
estarem desprotegidas contra as influências do meio, apresentam altas taxas de falhas, 
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como a interrupção no fornecimento de energia provocada pelo contato dos galhos das 
árvores, a queima de eletrodomésticos, o comprometimento da iluminação pública, além 
de representarem riscos para os transeuntes e requererem drásticas e constantes podas. 
As redes aéreas protegidas são constituídas de espaçadores plásticos, instalados de 
oito a dez metros, têm a função de apoiar os condutores, dispondo-os num arranjo 
triangular. Um cabo de aço mensageiro sustenta esses espaçadores, absorvendo todo o 
esforço mecânico e deixando os condutores apenas ligeiramente tracionados. Apesar de 
os condutores de alumínio serem cobertos por uma camada de polietileno, as redes 
aéreas protegidas devem ser consideradas redes nuas para a segurança pessoal, pois esse 
tipo de cobertura não confina o campo elétrico em seu interior, mas permite contatos 
eventuais de galhos e folhas sem que ocorra a interrupção no fornecimento da energia. 
Desse modo, as podas drásticas e muitas vezes desnecessárias são substituídas por 
serviços mais simples, como a retirada de galhos e folhas que estejam em contato com a 
rede. 
As redes aéreas isoladas são utilizadas em razão das exigências requeridas pelo 
meio ambiente, ou seja, em áreas densamente arborizadas, com galhos em contato 
permanente com os condutores ou em ambientes com muitas partículas condutoras 
suspensas que facilitam a abertura de arcos. Nesse tipo de rede, são utilizados três 
condutores isolados e blindados. Esse sistema é totalmente isolado. 
Na rede de distribuição subterrânea o cabeamento é feito através de galerias 
subterrâneas e os cabos são todos isolados. Ela tem como desvantagem o preço, mas 
possui como vantagens: 
• Maior confiabilidade ao sistema elétrico urbano. 
• Redução significativa das interferências externas. 
• Menor custo de manutenção. 
• Aumento da segurança da população através da evolução tecnológica deseus equipamentos e instalações. 
• Incremento na valorização do patrimônio histórico e turístico com a 
redução da poluição visual. 
Geralmente a rede de distribuição subterrânea é utilizada em: 
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• Condomínios. 
• Cidades Históricas e turísticas. 
• Proximidade de aeroportos. 
• Travessias sob viadutos. 
• Travessias sob rodovias. 
• Locais com alta densidade de carga. 
7.2.1 SISTEMA RADIAL SIMPLES 
O sistema radial simples é o que exige menor investimento, pois não tem nenhum 
equipamento duplicado. Mesmo assim, sua confiabilidade é satisfatória, desde que 
sejam empregados equipamentos e material de boa qualidade. Ele é aplicado na 
distribuição em áreas de baixa densidade de carga. Esse alimentador é ilustrado na 
Figura 7.1. Uma variância desse sistema é seccionar o alimentador primário em vários 
pontos utilizando chaves fusíveis, religadores e/ou seccionalizadores ao longo do 
alimentador (Figura 7.2). 
 
Figura 7.2 – Alimentador Primário Seccionado. 
As chaves-fusíveis são dispositivos eletromecânicos que têm como função básica, 
interromper o circuito elétrico quando ocorrer a fusão do elo-fusível. No Brasil, são 
fabricadas e largamente empregadas as chaves-fusíveis de expulsão, monofásicas, com 
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cartucho em fibra isolante, abertas, não repetitivas e indicadoras, conhecidas também 
como "chaves Matheus" (Figura 7.3). O princípio de funcionamento se baseia na 
extinção do arco elétrico formado dentro do cartucho ou canela, devido a abertura do 
circuito após a fusão do elo-fusível. O arco irá queimar o tubinho e/ou paredes do 
cartucho, produzindo gases desionizantes (CO2 , nitrogênio, etc.), que irão extingui-lo. 
Além disso, a expansão destes gases no interior do cartucho, dá origem a uma intensa 
diferença de pressão interna, que irá expulsar os mesmos pela parte inferior. Isto origina 
um empuxo para cima (princípio da ação e reação), que desconecta o contato superior 
do cartucho do contato da chave, fazendo-o girar através de uma junta articulada. Após 
a operação da chave, o cartucho fica "pendurado", indicando a operação ("canela 
arriada"). Daí, dizer-se que a chave tem a propriedade indicadora ou sinalizadora visual. 
 
Figura 7.3 – Chave fusível à expulsão. 
Os principais componentes de uma chave-fusível tipo expulsão são: 
• Elo-fusível (liga de material condutor); 
• Cartucho ou canela (tubo de fibra isolante); 
• Isolador (porcelana ou resina epóxi); 
• Base ou dispositivo de fixação (aço zincado). 
É importante observar que este tipo de chave-fusível não deve ser empregado para 
manobra de circuito com carga, pois são do tipo "seca" , isto é, os seus contatos não 
possuem meios de interrupção de arco (óleo, SF6 , etc.). A abertura de circuito com 
carga leva a um desgaste prematura dos contatos da chave. Além disso, pode provocar 
danos físicos e risco de morte à pessoa que está realizando a operação de abertura, 
principalmente nos dias chuvosos. Isto acontece porque, no momento da abertura, o 
arco elétrico pode envolver a cruzeta e, estando esta aterrada, vai originar um curto-
circuito fase-terra, que, por sua vez, poderá produzir tensões de passo elevadas. 
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Os elos-fusíveis são as partes ativas da chave-fusível, ou seja, são os elementos 
sensores que detectam a sobrecorrente e juntamente com o cartucho, interrompem o 
circuito. Não devem fundir com a corrente de carga do equipamento ou do circuito 
protegido e devem obedecer as curvas características tempo x corrente fornecidas pelos 
fabricantes. Os elos-fusíveis são identificados por sua corrente nominal e tipo, devendo 
ainda aparecer (geralmente no botão) o nome ou marca do fabricante. São constituídos 
das seguintes partes: 
• Botão com arruela; 
• Elemento fusível; 
• Tubinho; 
• Rabicho 
Os elos fusíveis de distribuição são divididos nos seguintes tipos: 
• Tipo K - Elos-fusíveis rápidos; 
• Tipo T - Elos-fusíveis lentos 
• Tipo H - Elos-fusíveis de alto surto (high surge), de ação lenta para surtos 
de corrente (a corrente transitória de magnetização de transformador, por 
exemplo). São fabricados somente para pequenas correntes nominais. 
Geralmente, são usados para proteger transformadores de pequenas 
potências (até 75 kVA) e pequenos bancos de capacitores. 
O funcionamento do elo-fusível se baseia na fusão do elemento fusível 
(geralmente de liga de estanho ou prata) por efeito Joule, quando a corrente é superior a 
corrente admissível. A maioria dos elos atinge o ponto de fusão em uma temperatura 
próxima de 230º C. Para a corrente admissível, o elo trabalha com temperatura em torno 
de 100º C. 
Devido o arco elétrico, em tensões elevadas (classe 15kV, ou superiores, por 
exemplo), a fusão do elo geralmente não interrompe o circuito. Para interrompê-lo 
efetivamente, torna-se necessário a extinção do arco. Isso é feito por gases desionizantes 
produzidos no interior do cartucho, em conseqüência da queima do tubinho e/ou das 
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paredes internas do próprio cartucho. A energia liberada pelo arco vai depender do 
tempo, da tensão e da corrente. 
Basicamente, um religador é constituído por um mecanismo automático projetado 
para abrir e fechar circuitos em carga ou em curto-circuito, comandado por relés de 
sobrecorrente de ação indireta (alimentados por TCs, geralmente de bucha), que 
realizam as funções 50 e 51, e por um relé de religamento (função 79). Atualmente, os 
dispositivos sensores e de controle de um religador são microprocessadores dedicados 
que realizam as funções 50, 51 e 79 e muito mais. São os chamados religadores 
microprocessados ou numéricos de multifunção. O religador ao sentir uma condição de 
sobrecorrente interrompe o circuito, religando-o automaticamente após um tempo 
predeterminado. Se perceber, no momento do religamento, que o defeito ainda persiste, 
repete a seqüência “disparo x religamento”, até três vezes consecutivas. Após o quarto 
disparo, o mecanismo de religamento é travado, deixando aberto o circuito. A repetição 
da seqüência “disparo x religamento”, permite que o religador teste repetidamente se o 
defeito desapareceu, possibilitando diferenciar um defeito transitório de um permanente. 
Geralmente, um religador é projetado para realizar, no máximo, 3 religamentos seguidos 
por 4 disparos, entretanto, permite ajuste para trabalhar com 1, 2 ou 3, sendo que, após o 
último previamente ajustado, permanece aberto, até que seja fechado pela ação do 
operador (Figura 7.4). Os disparos podem ser rápidos (ou instantâneos) e lentos (ou 
temporizados). 
 
Figura 7.4 – Seqüência de operação do religador. 
Os seccionalizadores são dispositivos projetados para operarem em conjunto com 
um religador, ou com um disjuntor comandado por relés de sobrecorrente dotados da 
função de religamento (função 79). Portanto, devem ser ligados a jusante destes 
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projetadas para aberturas ou fechamentos, com carga (possuem meios de interrupção de 
arco: SF6 , câmara de vácuo), no local ou remotamente (através de unidades remotas 
interligadas por sistemas de comunicação). Não possuem capacidade de interrupção de 
correntes de curtos-circuitos. As interrupções destas correntes são feitas pelo religador 
ou disjuntor de retaguarda, comandado por relés com as funções 50, 51 e 79. 
Atualmente os sistemas de controle dos seccionalizadores são digitais ou 
microprocessados, que realizam multifunções: proteção, medição (correntes, potências, 
fator de potência, etc.), registros de eventos (número de interrupções, tempo de duração 
de interrupções, natureza da interrupção, etc.). Estas informações são colhidas do 
circuito ao qual estão conectados, através de redutores de corrente e tensão (TCs e TPs). 
A função de proteção realizada pelo seccionalizador se desenvolve de forma 
bastante simples e criativa. Isto é, a cada vez que o interruptor de retaguarda efetua um 
disparo ou abertura (desligamento do circuito), interrompendo a corrente de falta, o 
seccionalizador “conta” a interrupção; após atingir o número de contagens previamente 
ajustado (uma, duas ou, no máximo, três), o seccionalizador abre os seus contatos, 
sempre com o circuito desenergizado pelo interruptor de retaguarda, isolando o trecho 
defeituoso sob sua proteção, do restante do sistema. O número de contagens do 
seccionalizador deve ser ajustado para uma unidade a menos do que o número de 
disparos do religador (Figura 7.5). 
 
Figura 7.5 – Princípio de coordenação religador x seccionalizador. 
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7.2.2 SISTEMA RADIAL SELETIVO 
Esse sistema possui a capacidade de oferecer alternativa de suprimento. A 
alimentação das cargas pode ser comutada manual ou automaticamente. Ele se aplica a 
consumidores de grande porte que geralmente são ligados direto ao circuito primário, 
tais como, hospitais, estádios, centrais telefônicas, aeroportos, etc (Figura 7.6). Os 
alimentadores podem originar da mesma SE ou não, neste caso a confiabilidade é maior. 
 
Figura 7.6 – Sistema radial seletiva. 
 
Figura 7.7 – Alimentadores em anel (a) aberto e (b) fechado. 
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7.2.3 SISTEMA EM ANEL 
Este arranjo oferece melhor continuidade de serviço que o sistema radial, mas 
apresenta também custo mais alto. O anel pode ser fechado ou aberto. Nesta última 
versão, se comporta como dois alimentadores radiais. Cada um dos alimentadores tem 
sua própria área de atendimento, entretanto é dimensionado para assumir toda a carga 
do anel (Figura 7.7 a). O sistema anel fechado (Figura 7.7 b) é mais sofisticado pois 
emprega disjuntores em vez de seccionadoras, comandadas por relés de sobrecorrentes 
direcionais. 
7.3 ALIMENTADOR SECUNDÁRIO 
O sistema secundário é a parte do sistema de distribuição entre o alimentador 
primário e o consumidor. Ele consiste dos transformadores de distribuição, circuito 
secundário e ramais de serviço. Os arranjos de sistema secundário são os seguintes: 
radial simples, secundário interligado e secundário reticulado. Existem dois tipos 
principais de circuito secundário: trifásico a quatro condutores e monofásico a três 
condutores. O primeiro é alimentado por transformador de distribuição trifásico com 
ligação delta do lado de alta e estrela com neutro aterrado no lado de baixa. As cargas 
trifásicas são ligadas aos três condutores de fase e as monofásicas podem ser 
alimentadas por fase e neutro (Vn) ou duas fases (√3Vn). Os valores mais comuns de 
Vn são 127 e 220 V (Figura 7.7). 
O circuito monofásico secundário a três condutores é alimentado através de 
transformador monofásico. Esse circuito possui duas versões: uma alimentada por duas 
fases do alimentador primário a 3 condutores (Figura 7.8a) e outra alimentada por uma 
fase e um neutro do alimentador primário a quatro condutores (Figura 7.8b). Em ambas 
as versões, as cargas monofásicas podem ser ligadas entre uma fase e o neutro, onde a 
tensão é 115 V, ou entre duas fases com tensão de 230 V. 
 
 
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Figura 7.7 – Sistema secundário trifásico a quatro condutores 
 
Figura 7.8 – Sistema secundário monofásico a três condutores (a) alimentado por duas 
fases e (b) alimentado por fase e neutro. 
Em sistemas aéreos, o circuito secundário é vertical , fixo no poste por isoladores 
tipo roldana. Quando o mesmo poste compartilha o circuito primário e o secundário, o 
circuito primário fica acima do transformador e o secundário fica abaixo. O 
espaçamento usual entre os condutores do secundário é de 20 cm, sendo o neutro o 
condutor do topo (ou o condutor utilizado para iluminação pública). Em geral os 
condutores do circuito secundário são nus, embora também se utilize cabos isolados. 
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Estes são mais caros, mas apresentam menor queda de tensão, podem ser utilizados em 
menor altura e, sobretudo são muito menos vulneráveis a defeito. 
A escolha do tipo e bitola do cabo do circuito secundário é feito com bases nos 
seguintes critérios: 
• Queda de tensão permitida: o valor da impedância do cabo (Ω/km) e o seu 
comprimento são fatores preponderantes na definição da queda de tensão 
entre o transformador e o consumidor; 
• Carregamento máximo do transformador: O valor da corrente máxima de 
carga define a bitola mínima que deve ser usada; 
• Balanceamento e fator de potência das cargas: o balanceamento entre as 
fases define se os valores de corrente em cada fase são semelhantes ou 
não. O fator de potência está diretamente ligado ao máximo valor de 
corrente que pode percorrer o cabo; 
• Espaçamento dos postes: a distância entre os postes define a tração que o 
cabo deve suportar; 
• Custos de perdas, equipamentos e mão de obra: o levantamento dos custos 
indica qual o melhor tipo de cabo a ser utilizado. 
7.3.1 SISTEMA SECUNDÁRIO INTERLIGADO 
Esta é uma forma de secundário que se obtém do radial interligando-se os 
secundários de transformadores supridos pelo mesmo alimentador primário fazendo 
com que estes formem um banco. Além da proteção normal do sistema radial, com 
chaves fusíveis no primário, instalam-se também fusíveis ou disjuntores apropriados no 
secundário. 
O secundário interligado aplica-se em áreas de densidade de carga média, na faixa 
de 200 a 500 kVA/km2. É recomendável que os bancos não possuam menos de três 
unidades, para que possam manter nível de tensão e sobrecarga mínima nas unidades 
remanescentes quando uma delas saia de serviço. O secundário interligado oferece 
várias vantagens: 
• Reduz a queda de tensão devido a partida de motores; 
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• Atenua o problema de oscilação de tensão no secundário; 
• Permitediminuir a potência instalada em transformadorese as seções dos 
condutores secundários; 
• Favorece a auto-extinção mais rápida de defeitos no secundário 
melhorando a continuidade de serviço; 
• Facilita a inclusão de novas cargas. 
A proteção secundária pode ser feita de várias formas. Uma forma seria os 
fusíveis do transformador só operarem para defeitos no mesmo, isolando-o dos circuitos 
primário e secundário (Figura 7.9 a). Defeitos no circuito secundário são eliminados por 
auto-extinção. A continuidade de serviço é mantida, pois com a saída de um 
transformador sua carga é distribuída pelas unidades remanescentes. Uma segunda 
forma seria colocando os fusíveis no alimentador secundário, de modo que o defeito 
nestes ou no transformador que o alimenta seja isolado por ação dos fusíveis no 
primário e secundário. Por exemplo, um defeito no ponto P da Figura 7.9 b, queimaria 
os fusíveis 1, 2 e 3 desenergizando o trecho com defeito. 
 
Figura 7.9 – Circuitos secundários interligados. 
Um terceiro arranjo (Figura 7.10) substitui os fusíveis do secundário por pares de 
disjuntores. Com uma falha no transformador, queima-se o fusível primário e abrem-se 
ambos os disjuntores do secundário. Não há interrupção de serviço, exceto para os 
consumidores das pontas do alimentador exceto para os consumidores das pontas do 
alimentador, se o transformador defeituoso for um dos extremos. Falhas no circuito 
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secundário são isoladas pelos disjuntores secundários. Neste caso, ficam desenergizados 
os ramais ligados ao trecho defeituoso. Há transformadores de distribuição 
especialmente projetados para operação em banco chamados CSPB (completely self 
protected bank). Eles já incluem o fusível de alta tensão, os disjuntores secundários, 
além das lâmpadas de sinalização e proteção contra descargas. 
 
Figura 7.10 – Interligação do circuito secundário através de disjuntor. 
7.3.2 SISTEMA SECUNDÁRIO RETICULADO 
O sistema secundário reticulado é utilizado em áreas urbanas de grande densidade 
de carga. As instalações são subterrâneas. Este sistema é praticamente imune a defeitos. 
Cada transformador é ligado ao secundário através de um disjuntor a ar comandado por 
relé de reversão de potência, denominado de protetor de malha (Figura 7.11). A função 
do protetor de malha é evitar o fluxo de energia no sentido da rede secundária para o 
transformador. Isto é importante pelo seguinte: quando ocorre defeito em um 
transformador, este é desligado automaticamente do alimentador primário por ação da 
chave fusível. A rede secundária continua energizada pelo outros transformadores, sem 
contudo alimentar o defeito, pois isto é prontamente evitado pelo protetor de malha. 
7.3.3 SISTEMA SECUNDÁRIO RETICULADO EXCLUSIVO 
Esse sistema conhecido como spot-network, tem a mesma confiabilidade do 
sistema mostrado acima, mas é especialmente adequado para suprir cargas concentradas 
de grande porte. 
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No reticulado exclusivo os secundários de dois ou mais transformadores são 
conectados em paralelo, através de protetores de malhas, a um barramento secundário 
do qual são derivados alimentadores secundários radiais. Os transformadores são 
supridos por alimentadores primários distintos (Figura 7.12). A sua proteção é similar 
ao sistema mostrado acima. Só há interrupção de serviço quando ocorre defeito em 
todos os alimentadores simultaneamente, ou no barramento secundário. 
O sistema reticulado é o mais caro devido aos protetores de malha e do sobre-
dimensionamento dos alimentadores e transformadores. Porém não há interrupção 
momentânea causada pela operação de chaves de transferência, como acontece no radial 
seletivo. Além disso, oscilações de tensão causadas por curto-circuito ou grandes cargas 
intermitentes são substancialmente reduzidas com o sistema reticulado. 
 
Figura 7.11 – Sistema secundário reticulado. 
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Figura 7.12 – Sistema secundário reticulado exclusivo.