Geração Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - Aula 1

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GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E 
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA 
ELÉTRICA 
AULA 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Rafael Zamodzki 
 
 
2 
CONVERSA INICIAL 
Nesta aula desejamos apresentar a estrutura e o funcionamento das 
usinas hidrelétricas. 
A partir desses conhecimentos, será possível identificar componentes de 
uma usina hidrelétrica, definir as funções de cada um dos componentes 
apresentados e classificar as usinas de acordo com características específicas. 
Neste contexto, esta aula está organizada em cinco temas, distribuídos 
da seguinte forma: 
 Tema 1 – Classificação de usinas hidrelétricas quanto à potência, queda 
e fator de capacidade; 
 Tema 2 – Barragem e conduto forçado; 
 Tema 3 – Comportas; 
 Tema 4 – Vertedouro; 
 Tema 5 – Casa de força. 
TEMA 1 – CLASSIFICAÇÃO DE USINAS HIDRELÉTRICAS QUANTO À 
POTÊNCIA, QUEDA E FATOR DE CAPACIDADE 
A geração de energia elétrica, tendo como fonte primária a energia 
potencial e cinética que a água pode fornecer, envolve alguns processos, como 
o armazenamento da água, a conversão da energia potencial da água em 
energia cinética por turbinas e a conversão da energia mecânica das turbinas 
em energia elétrica por meio de um gerador (Grigsby, 2012). 
Os cinco maiores produtores de energia elétrica a partir da utilização da 
água como fonte primária são: China, Brasil, Estados Unidos da América, 
Canadá e Rússia (World Energy Council, 2013). A matriz energética do Brasil é 
muito diversificada, porém a maior parte das usinas instaladas em território 
brasileiro utiliza a água como fonte primária para geração de energia elétrica 
(ONS, S.d.; Aneel, S.d.). 
Além das classificações que serão vistas ao longo deste capítulo, há uma 
classificação inicial que pode ser dada às usinas. Pode–se dizer que existem 
basicamente quatro topologias de usinas hidrelétricas quanto a sua forma 
construtiva (World Energy Council, 2013): 
 
 
3 
1. Usina a fio d’água: são aquelas que não possuem reservatório de água 
ou o têm em dimensões menores do que poderiam. Algumas dessas 
usinas possuem um pequeno reservatório para represar água durante as 
horas que não são de pico, utilizando a porção reservada no horário de 
pico do mesmo dia. Neste modelo, o curso natural do rio é preservado. 
2. Usina com reservatório de acumulação: estas usinas possuem 
reservatórios com tamanho suficiente para acumular água na época das 
cheias para uso na época de estiagem. Normalmente, estão localizadas 
a montante das demais hidrelétricas, regulando, dessa forma, a vazão da 
água que irá fluir para elas. 
3. Usina reversível (bombeamento): são usinas que podem gerar energia 
elétrica por meio da água de um reservatório localizado a montante para 
outro a jusante ou armazenar água em um nível mais elevado, por meio 
do bombeamento da água de um reservatório a jusante para outro a 
montante. 
4. Usinas localizadas no mar: estas usinas também utilizam a água como 
fonte primária, porém em vez de estarem localizadas no leito de rios, 
localizam-se em ambientes marítimos. São mais conhecidas como usinas 
maremotrizes e undielétricas. 
A partir deste texto introdutório, deseja–se agora apresentar outros tipos 
de classificações das usinas: quanto à potência, quanto à queda d’água e quanto 
ao fator de capacidade. 
1.1 Classificação quanto à potência 
A potência instalada de uma usina pode ser definida como a soma 
aritmética simples das potências das unidades geradoras que a compõem. 
Pode-se citar, por exemplo, a Usina Hidrelétrica de Itaipu, que possui em sua 
composição 20 unidades geradoras de 700 MW cada, totalizando uma potência 
instalada (ou capacidade instalada) de 14.000 MW ou 14 GW (Itaipu [S.d.]). 
É possível classificar os empreendimentos de geração hidrelétricos 
quanto à potência instalada. Essa classificação define se a usina é de grande, 
médio ou pequeno porte. Para a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), 
existem três nomenclaturas que podem ser dadas às usinas hidrelétricas, de 
acordo com a potência instalada. Essas nomenclaturas são (Brasil, 2015): 
 
 
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1. Centrais Geradoras Hidrelétricas (CGH): usinas com até 3 MW de 
potência instalada; 
2. Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH): usinas com potência instalada 
entre 3 e 30 MW de potência instalada; 
3. Usina Hidrelétrica de Energia (UHE): usinas com potência instalada acima 
de 30 MW. 
1.2 Classificação quanto à queda 
As usinas também podem receber classificação quanto à altura da queda 
d’água, diferenciando-se pelas classificações: baixíssima, baixa, média e alta. 
Essas alturas são definidas da seguinte forma: 
 Baixíssima: possuem altura de queda d’água menor do que 10 metros; 
 Baixa: possuem altura de queda d’água entre 10 e 50 metros; 
 Média: essas usinas têm altura de queda d’água entre 50 e 250 metros; 
 Alta: são usinas que possuem altura da queda d’água maior do que 250 
metros. 
1.3 Classificação quanto ao fator de capacidade 
Apesar de as usinas hidrelétricas possuírem determinada capacidade 
nominal de geração, as unidades geradoras não possuem eficiência de 100%, 
apresentando perdas no processo de conversão da energia mecânica para 
energia elétrica. 
O fator de capacidade de uma usina hidrelétrica é definido como a razão 
entre a energia efetivamente gerada pela usina e a máxima energia possível de 
ser gerada em um determinado período de tempo, conforme apresentado a 
seguir (Grigsby, 2012): 
 
gerada
máx
E
FC
E
 
Na fórmula acima, 
Egerada é a energia efetivamente gerada; 
Emáx é a máxima energia possível de ser gerada. 
 
 
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Por exemplo, se a energia produzida em um dia por uma turbina de 500 
MW for de 9,6 GWh, sendo que sua capacidade nominal de produção é de 12 
GWh, então o fator de capacidade dessa turbina é de 0,8 (9,6/12). 
Dessa forma, já é possível presumir que o fator de capacidade será 
sempre menor que 1, pois a energia efetivamente gerada (com as tecnologias 
de geradores disponíveis atualmente) nunca será igual à máxima energia 
possível de ser gerada. 
As usinas hidrelétricas, quando comparadas com outros tipos de usinas 
geradoras de energia elétrica, como eólica e solar fotovoltaica, tendem a possuir 
um fator de capacidade mais elevado, pois o fluxo de água tende a ser menos 
variável do que a velocidade do vento ou a insolação. Afirma-se que para usinas 
a fio d’água, o fator de capacidade deve ser de pelo menos 50% (Grigsby, 2012). 
Considerando todos os tipos de usinas hidrelétricas, pode-se dizer que um fator 
de capacidade de 40% é bastante aceitável. Fatores de capacidade abaixo de 
40% podem ser considerados baixos, enquanto fatores de capacidade acima de 
40% podem ser considerados altos (Prado Junior; Berg, 2013). 
TEMA 2 – BARRAGEM E CONDUTO FORÇADO 
Uma usina hidrelétrica é composta por diversos componentes, 
abrangendo conceitos de diversas áreas das engenharias civil, elétrica, 
mecânica, além de aspectos relacionados à tecnologia da informação. 
Basicamente, os componentes de maior dimensão e que são extremamente 
essenciais para o funcionamento da usina são: 
 Barragem; 
 Conduto forçado; 
 Comportas; 
 Vertedouro; 
 Casa de força; 
 Tomada d’água; 
 Chaminé de equilíbrio; 
 Turbina; 
 Gerador. 
 
 
 
6 
Na Figura 1, apresenta-se um diagrama esquemático de uma usina, 
mostrando de forma ilustrativa cada um dos componentes citados (exceto 
comportas, chaminé de equilíbrio e vertedouro, que serão apresentados 
posteriormente). 
Figura 1 – Esquema ilustrativo de uma usina hidrelétrica
 
Créditos: Andrea Danti/Shutterstock. 
Os cinco primeiros componentes serão abordados de forma mais 
específica ainda nesta aula. Descreve-se a seguir um pouco a respeito dos 
quatro últimos componentes apresentados: 
1. Tomada d’água: pode ser definida como o ponto onde se inicia a 
condução da água entre o reservatório e as turbinas. A tomada d’água 
deve ser estruturada de tal forma queimpeça a entrada de corpos 
estranhos e que se possa fechar a entrada da água quando for necessário 
(Ribeiro, 2003). 
2. Chaminé de equilíbrio: é uma estrutura com construção vertical e 
superfície livre, destinada a amortecer os golpes de aríete num conduto 
forçado, ou seja, evitar sobrepressão (Ribeiro, 2003). 
 
 
 
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3. Turbina: dispositivo com pás que recebe a água do conduto forçado com 
uma pressão suficiente para que a sua inércia seja vencida. Esse 
dispositivo é acoplado ao gerador. 
4. Gerador: dispositivo acoplado à turbina e que possui a função de 
converter a energia cinética transmitida pela turbina em energia elétrica 
para ser transmitida aos consumidores. 
Na Figura 2, apresenta-se a vista aérea de uma usina hidrelétrica, na qual 
pode-se perceber de forma clara o reservatório, a barragem, os condutos 
forçados e o vertedouro. 
Figura 2 – Vista aérea de uma usina hidrelétrica 
 
Crédito: aSuruwataRi/Shutterstock. 
Nas seções seguintes, serão descritos com maiores detalhes os demais 
componentes que foram citados. Deve-se lembrar que a usina hidrelétrica não 
se limita aos componentes apresentados neste documento. 
2.1 Barragem 
Pode-se definir a barragem de uma usina hidrelétrica como uma estrutura 
que serve para bloquear a passagem do rio, formando assim um reservatório 
acumulador de água. Dessa forma, é possível que o nível da água seja elevado, 
 
 
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criando um desnível que auxilia na queda da água que é conduzida por meio do 
conduto forçado. 
As barragens podem ser constituídas por concreto, terra, rochas ou 
podem ser mistas (mistura de concreto com os outros materiais). Cada um 
destes tipos de barragem é descrito com mais detalhes a seguir (Eletrobrás, 
2003; Schreiber, 1978): 
 Barragens de terra e rochas: a terra é a camada mais superficial do solo 
e constitui–se de sedimentos e pedaços menores de rochas. Quando a 
barragem é composta por rochas (enrocamento), são utilizadas as rochas 
maiores e não apenas os sedimentos. Tanto nas barragens de terra 
quanto nas barragens de rochas utilizam-se materiais localizados nas 
proximidades de onde a obra está sendo realizada. Tanto a terra quanto 
as rochas devem ser compactadas na construção da barragem. 
Nas barragens de terra pode-se utilizar material com as mesmas 
características ao longo de toda a construção, caracterizando-a como 
homogênea. Quando várias camadas são utilizadas, caracteriza-se como 
barragem zoneada. Barragens de terra podem sofrer com erosão e, por 
este motivo, é necessário que sejam utilizadas rochas no lado da 
barragem que está em contato com a água. 
Na Figura 3, uma barragem constituída por rochas é apresentada. 
Figura 3 – Barragem de enrocamento 
 
Créditos: M–ken/Shutterstock. 
 
 
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 Barragens de concreto: as barragens constituídas por concreto podem ser 
construídas de diferentes formas, que são descritas a seguir: 
 Barragem de gravidade: é aquela que possui a estabilidade garantida 
pelo seu próprio peso. O perfil transversal dessa barragem possui 
característica triangular, enquanto o topo da barragem é retangular. Na 
Figura 4, é apresentada uma barragem de gravidade. 
Figura 4 – Barragem de gravidade 
 
Créditos: Rodphothong Mr.Patchara/Shutterstock. 
 Barragem de arco: nesta configuração de barragem, é estabelecida 
uma pequena curvatura em virtude da topografia e também visando a 
utilização de uma menor quantidade de concreto. Neste tipo de 
construção, é necessário que a rocha de fundação tenha condições 
muito favoráveis. Um exemplo de barragem de arco é apresentado na 
Figura 5. 
Figura 5 – Barragem de arco 
 
Créditos: Matej Hudovernik/Shutterstock. 
 
 
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 Barragem de contrafortes: neste tipo de barragem, são utilizados 
contrafortes construídos de forma perpendicular ao eixo da barragem. 
Com a construção estabelecida dessa forma, os esforços são divididos 
nos contrafortes. O custo deste tipo de barragem geralmente é mais 
elevado quando comparado ao custo dos demais, além de uma maior 
complexidade. Na Figura 6, apresenta-se uma barragem de contraforte. 
Figura 6 – Barragem de contraforte 
 
Créditos: Eder/Shutterstock. 
2.2 Conduto forçado 
O conduto forçado nada mais é do que o canal utilizado para levar a água 
desde o reservatório até as turbinas. Quando o conduto é forçado, toda a sua 
face interna está em contato com o fluido em movimento. Nenhuma superfície 
está livre desse contato. Dessa forma, a pressão interna do conduto é diferente 
da pressão atmosférica. Na Figura 7, pode-se visualizar um grupo de condutos 
forçados em uma usina hidrelétrica. 
 
 
 
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Figura 7 – Condutos forçados 
 
Créditos: LittileGallery/Shutterstock. 
É importante lembrar que além dos condutos forçados, existem os 
condutos livres, nos quais uma porção da face interna não está em contato com 
o fluido. Na superfície livre do fluido, a pressão é igual à pressão atmosférica. 
Ainda pode-se classificar os condutos em: 
 Enterrado; 
 A céu aberto. 
Para a instalação dos tubos enterrados, deve–se abrir uma vala na qual o 
tubo possa ser inserido. Após essa inserção, o tubo deve ser enterrado com o 
material da escavação adequadamente compactado. Este tipo de instalação dos 
condutos forçados protege a tubulação contra as intempéries do clima e contra 
as variações bruscas de temperatura. Também não é necessário nenhum tipo 
de ancoragem, pois a tubulação já está apoiada no solo utilizado no aterramento. 
Uma desvantagem é a manutenção, que se torna mais difícil devido ao acesso 
limitado ao tubo. Deve-se utilizar tintas especiais para proteger a tubulação 
contra a umidade e acidez do solo. Este tipo de instalação é realizado apenas 
em usinas hidrelétricas que usam tubulações de pequeno diâmetro. A tubulação 
também pode ser embutida no concreto da barragem (Schreiber, 1978). 
Nas tubulações instaladas ao ar livre, deve-se utilizar ancoragens, pois 
quando a água que flui dentro do conduto sofre mudanças de direção, as 
tubulações sofrem grandes esforços. Esses esforços devem ser transmitidos 
 
 
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para um bloco de concreto e posteriormente para o subsolo. Pode-se utilizar 
tubulações contínuas ou subdivididas em trechos (Schreiber, 1978). 
Na Figura 8, é possível visualizar em detalhe os condutos forçados 
instalados ao ar livre em uma usina hidrelétrica. 
Figura 8 – Condutos forçados instalados ao ar livre 
 
Créditos: AppleZoomZoom/Shutterstock. 
Na Figura 9, é possível ver uma barragem na qual não se vê condutos ao 
ar livre, pois estão embutidos no concreto. 
Figura 9 – Barragem com conduto instalado embutido no concreto 
 
Créditos: Makoto_Honda/Shutterstock. 
 
 
 
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TEMA 3 – COMPORTAS 
Nas usinas hidrelétricas, as comportas são utilizadas para que seja 
possível realizar a isolação entre a água do reservatório e o sistema turbina-
gerador. Dessa forma, é possível realizar a manutenção das máquinas e de 
outros componentes que estão presentes neste trecho da usina. 
As comportas podem ser chapas curvas com braços radiais, como 
apresentado na Figura 10, ou podem ser chapas retas utilizadas em emergência 
por meio da utilização de vigas pescadoras, como mostrado na Figura 11 
(Ribeiro, 2003). 
Figura 10 – Comporta constituída por chapa de aço curva 
 
Crédito: jtclendenen/Shutterstock. 
Figura 11 – Comporta de chapa retilínea acionada por viga pescadora 
 
Créditos: shirmanov aleksey / Shutterstock. 
 
 
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TEMA 4 – VERTEDOURO 
Outro sistema extremamente importante que está presente em uma usina 
hidrelétrica é o vertedouro. Esta construção específica possui a função de evitar 
que o reservatório de água transborde em um período de chuvas mais intensas 
na região da usina. O vertedouro é utilizado para passar a porção excedente do 
fluido diretamente para o lado a jusante da usina (Ribeiro, 2003). 
O projeto do vertedouro deve ser realizado de forma que garanta a 
segurança da barrageme que não ofereça perturbações de níveis que 
prejudiquem a operação ordinária da usina. As dimensões e a configuração do 
vertedouro vão depender de uma análise econômica, pois a construção pode ser 
realizada com ou sem comportas. Caso se escolha a opção com comportas, elas 
também devem ser dimensionadas, considerando-se a utilização de pelo menos 
duas comportas (Eletrobrás, 2003). 
Geralmente a inclinação da rampa de concreto que constitui o vertedouro 
é de aproximadamente 10% (Ribeiro, 2003). Na Figura 12, apresenta-se o 
vertedouro da Usina Hidrelétrica de Itaipu com as comportas fechadas. Na Figura 
13, o mesmo vertedouro é mostrado, porém agora com as comportas abertas. 
Figura 12 – Vertedouro com as comportas fechadas 
 
Créditos: Angelica Flores Cezar/Shutterstock. 
 
 
 
 
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Figura 13 – Vertedouro com as comportas abertas 
 
Crédito: Patricia Peceguini Viana/Shutterstock. 
TEMA 5 – CASA DE FORÇA 
A função da casa de força em uma usina hidrelétrica é abrigar todas as 
máquinas e equipamentos a fim de tornar possível a sua montagem, 
desmontagem, operação e manutenção (Schreiber, 1978). 
A casa de força pode ter as configurações a céu aberto ou subterrânea. 
Na configuração a céu aberto, ela pode ter uma superestrutura para suportar o 
teto e as vigas para os trilhos das pontes rolantes ou pode ser construída sem a 
superestrutura e com guindaste-pórtico no lugar das pontes rolantes. A 
configuração subterrânea pode ser em caverna ou aterrada (Schreiber, 1978). 
O tamanho da casa de força é determinado pelas dimensões das 
máquinas e dos equipamentos que serão instalados em seu interior, sendo que 
o projetista deve sempre considerar uma margem além das dimensões mínimas 
estabelecidas pelo tamanho dos equipamentos (Schreiber, 1978). 
Na Figura 14, pode-se observar uma casa de força presente em uma 
usina hidrelétrica nos Estados Unidos. É possível perceber a presença do 
transformador de potência na entrada da casa de força. 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 14 – Casa de força de uma usina hidrelétrica 
 
Fonte: Pi–Lens/Shutterstock. 
FINALIZANDO 
Foram aqui abordados cinco temas principais a respeito da operação de 
usinas hidrelétricas e dos conceitos relacionados aos principais dispositivos e 
construções presentes nestas usinas. 
No primeiro tema, apresentou-se a classificação das usinas hidrelétricas, 
considerando suas diferentes características: potência instalada, altura da queda 
d’água e fator de capacidade. Uma introdução a respeito do funcionamento das 
usinas foi apresentada, e cada uma das características citadas foi aprofundada, 
mostrando-se a classificação que é realizada considerando cada uma delas. 
A partir do segundo tema, alguns dos equipamentos e construções 
presentes em uma usina foram expostos de forma mais específica para ilustrar 
a principal função e as características de cada um deles. Imagens foram 
apresentadas para caracterizar visualmente esses componentes no escopo da 
usina. Os primeiros componentes exibidos foram o conduto forçado e a 
barragem. 
As comportas foram vistas no terceiro tema. Abordou-se as principais 
configurações e aspectos construtivos e apresentou-se imagens, exemplificando 
comportas com braço radial e comportas acionadas a partir de vigas pescadoras. 
 
 
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No quarto tema, o vertedouro foi abordado. Foi possível conhecer a sua 
função dentro do sistema da usina hidrelétrica bem como as formas como ele 
pode ser concebido (com ou sem comportas). Algumas especificações 
construtivas normalmente utilizadas também foram vistas. Além disso, foi 
possível observar imagens do vertedouro da Usina Hidrelétrica de Itaipu, com as 
comportas abertas e fechadas. 
O quinto tema tratou a respeito da casa de força, que está presente na 
usina hidrelétrica e exerce um papel extremamente importante no funcionamento 
e na operação normal da usina. É na casa de força que se concentram os 
equipamentos necessários para que a energia elétrica seja efetivamente gerada 
e adequada para ser transmitida posteriormente ao consumidor final. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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