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1 Constituio dos Sistemas Eltricos de Potncia
1.1. Introduo Os sistemas eltricos de potncia tm a funo precpua
de fornecer energia eltrica aos usurios, grandes ou pequenos, com a
qualidade adequada, no instante em que for solicitada. Isto , o
sistema tem as funes de produtor, transformando a energia de alguma
natureza, por exemplo, hidrulica, mecnica, trmica ou outra, em
energia eltrica, e de distribuidor, fornecendo aos consumidores a
quantidade de energia demandada, instante a instante. Em no sendo
possvel seu armazenamento, o sistema deve contar, como ser
analisado a seguir, com capacidade de produo e transporte que
atenda ao suprimento, num dado intervalo de tempo, da energia
consumida e mxima solicitao instantnea de potncia ativa. Deve-se,
pois, dispor de sistemas de controle da produo de modo que a cada
instante seja produzida a energia necessria a atender demanda e s
perdas na produo e no transporte. Identificar-se-, em tudo quanto
se segue, os blocos de produo de energia por sua designao corrente
de blocos de gerao; destaca-se a impropriedade do termo, de vez
que, no h gerao de energia, mas sim, transformao entre fontes de
energia diferentes. Aqui, no Brasil, face ao grande potencial
hdrico existente, predomina a produo de energia eltrica pela
transformao de energia hidrulica em eltrica, usinas hidroeltricas,
e estando os centros de produo, de modo geral, afastados dos
centros de consumo, imprescindvel a existncia de um elemento de
interligao entre ambos que esteja apto a transportar a energia
demandada. Sendo o montante das potncias em jogo relevante e as
distncias a serem percorridas de certa monta, torna-se inexeqvel o
transporte dessa energia na tenso de gerao. Assim, no diagrama de
blocos da fig. 1.1, sucede ao bloco de gerao o de elevao da tenso,
no qual a tenso elevada do valor com o qual foi gerada para o de
transporte, tenso de transmisso. O valor dessa tenso estabelecido
em funo da distncia a ser percorrida e do montante de energia a ser
transportado. Por outro lado, em se chegando aos centros de
consumo, face grande diversidade no montante de potncia demandada
pelos vrios consumidores, varivel desde a ordem de grandeza de
centenas de MW at centenas de W, invivel o suprimento de todos os
usurios na tenso de transmisso. Exige-se, portanto, um primeiro
abaixamento do nvel de tenso para valor compatvel com a demanda dos
grandes usurios, tenso de subtransmisso. O abaixamento de tenso
feito atravs das subestaes de subtransmisso, que so supridas atravs
de linhas de transmisso, suprindo, por sua vez, linhas que operam
em nvel de tenso mais baixo, tenso de subtransmisso ou alta tenso.
Ulteriores abaixamentos no nvel de tenso, em funo das
caractersticas dos consumidores, so exigidos. Assim, o sistema de
subtransmisso supre as subestaes de distribuio, que so responsveis
por novo abaixamento no nvel de tenso para a tenso de distribuio
primria ou mdia tenso. A rede de distribuio primria, por sua
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2 INTRODUO AOS SISTEMAS DE DISTRIBUIO
vez, ir suprir os transformadores de distribuio, dos quais se
deriva a rede de distribuio secundria ou rede de baixa tenso, cujo
nvel de tenso designado por tenso secundria ou baixa tenso.
GERAO- Hidrulica
Transforma energia - Trmica em Eltrica- Outra
SE ELEVADORA DE TRANSMISSOEleva a tenso de gerao para a tenso de
transmisso
SISTEMA DE TRANSMISSOTransporta a energia dos centros de produo
aos
centros de consumo
SE ABAIXADORA DE SUBTRANSMISSOReduz a tenso de transmisso para a
de subtransmisso
Consumidores em tensode transmisso
SISTEMA DE SUBTRANSMISSODistribui a energia eltrica em tenso de
subtransmisso
Consumidores em tensode subtransmisso
SE DE DISTRIBUIOReduz a tenso de subtransmisso para a de
distribuio
primria
SISTEMA DE DISTRIBUIO PRIMRIADistribui a energia em tenso de
distribuio primria
Consumidores em tensode Distribuio Primria
SISTEMA DE DISTRIBUIO SECUNDRIADistribui a energia em tenso de
distribuio secundria
Consumidores em tensode Distribuio Secundria
TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIOReduz a tenso primria para a de
distribuio secundria
Fig. 1.1 Diagrama de blocos do sistema
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CONSTITUIO DOS SISTEMAS DE POTNCIA 3
Assim, conforme apresentado na fig. 1.1 os sistemas eltricos de
potncia podem ser subdivididos nos trs grandes blocos: - Gerao, que
perfaz a funo de converter alguma forma de energia em energia
eltrica; - Transmisso, que responsvel pelo transporte da energia
eltrica dos centros de produo aos
de consumo; - Distribuio, que distribui a energia eltrica
recebida do sistema de transmisso aos grandes,
mdios e pequenos consumidores. Os valores eficazes das tenses,
com freqncia de 60 Hz, utilizados no Brasil, que esto fixados por
decreto do Ministrio de Minas e Energia, esto apresentados na Tab.
1.1, onde se apresenta as reas do sistema nas quais so utilizadas.
Apresenta-se tambm algumas tenses no padronizadas ainda em uso.
Tenso (kV) Padroniz. Existente
Campo de aplicao
rea do sistema de potncia
0,220/0,127 0,110 0,380/0,220 0,230/0,115
Distribuio secundria (BT)
13,8 11,9 34,5 22,5
Distribuio primria (MT)
34,5 69,0 88,0 138,0
Subtransmisso
(AT)
Distribuio
138,0 230,0 440,0 345,0 750,0 500,0
Transmisso
Transmisso
Tab. 1.1 Tenses usuais em sistemas de potncia No sistema de
gerao a tenso nominal usual 13,8 kV, encontrando-se, no entanto,
tenses desde 2,2 kV at a ordem de grandeza de 22 kV. Destaca-se
ainda a existncia de pequenas unidades de gerao, que podem ser
conectadas diretamente no sistema de distribuio. Na fig. 1.2
apresenta-se um diagrama unifilar tpico de um sistema eltrico de
potncia, onde se destaca a existncia de trs usinas, um conjunto de
linhas de transmisso, uma rede de subtransmisso, uma de distribuio
primria e trs de distribuio secundria. Observa-se que o sistema de
transmisso opera, no caso geral, em malha, o de subtransmisso opera
radialmente, podendo, desde que se tomem cuidados especiais, operar
em malha. O sistema de distribuio primria opera, geralmente, radial
e o de distribuio secundria pode operar quer em malha, quer
radialmente. 1. 2 Sistema de gerao Obtm-se energia eltrica, a
partir da converso de alguma outra forma de energia, utilizando-se
mquinas eltricas rotativas, geradores sncronos ou alternadores, nas
quais o conjugado mecnico obtido atravs de um processo que,
geralmente, utiliza turbinas hidrulicas ou a vapor. No caso
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4 INTRODUO AOS SISTEMAS DE DISTRIBUIO
de aproveitamento hidrulico o potencial disponvel definido pela
queda dgua, altura de queda e vazo, podendo ter-se usinas desde
algumas dezenas de MW at milhares de MW.
Gerao
Transmisso Subtransmisso
Distrib. primria
Distrib. secundria
Distribuio
Fig. 1.2 Diagrama unifilar de sistema eltrico de potncia Assim,
a ttulo de exemplo, a usina Henry Borden, na Serra do Mar, em So
Paulo, conta com potncia instalada de 864 MW, ao passo que a Usina
de Itaipu conta com potncia instalada de 12.600 MW. Por outro lado,
dentre as usinas trmicas, que se baseiam na converso de calor em
energia eltrica, h aquelas em que o vapor produzido numa caldeira,
pela queima do combustvel, aciona uma turbina a vapor que fornece o
conjugado motor ao alternador. Como combustvel dispe-se, dentre
outros, do leo combustvel, carvo, bagao de cana, ou madeira. Nas
centrais atmicas, como o caso da Usina de Angra dos Reis, o calor
para a produo do vapor obtido atravs da fisso nuclear. As usinas
hidrulicas apresentam um tempo de construo bastante longo, com
custo de investimento elevado, porm, seu custo operacional
extremamente baixo. Para melhor visualizao do vulto das obras
necessrias, cita-se, a ttulo de exemplo, a usina de Itaipu1, que
dispe de 18 unidades geradoras, 9 operando em 60 Hz e 9 em 50 Hz,
com tenso nominal de 18 kV (+ 5% - 10%), potncia nominal 823,6 MVA,
para as unidades em 50 Hz, e 737,0 MVA, para as em 60 Hz, tendo
cada unidade peso total de 3.343 t (50 Hz) e 3.242 t (60Hz).
Apresenta bacia hidrogrfica com rea de drenagem de 820.000 km2,
reservatrio com rea de 1.350 km2, extenso de 170 km, cota mxima de
220 m e volume de gua de 29 . 109 m3. Suas barragens principais e
laterais, que so construdas em concreto, terra e enrocamento,
apresentam um comprimento total de 7.760 m, altura mxima de 196 m e
exigiram, em sua construo, volumes de 8.100 m3 de concreto e 13,2 .
106 m3 de terra e enrocamento. Seu vertedouro apresenta largura
total de 390 m, comprimento total da calha mais a crista de 483 m,
contando com 14 comportas de 20 21,34 m2 1 Fonte: site
www.itaipu.gov.br
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CONSTITUIO DOS SISTEMAS DE POTNCIA 5
e com capacidade mxima de descarga de 62.200 m3/s. Seus condutos
forados tm comprimento de 142 m e dimetro de 10,5 m que garantem
descarga nominal de 690 m3/s. A entrada em operao das primeiras
duas unidades geradoras deu-se em 1984, e completou-se a entrada em
operao das dezoito unidades em 1991. Por sua vez as usinas trmicas
apresentam tempo de construo e custo de investimento sensivelmente
menores, apresentando, no entanto, custo operacional elevado, em
virtude do custo do combustvel. As primeiras situam-se,
geograficamente, onde haja disponibilidade de gua com desnvel que
permita a construo, atravs de barragens, do reservatrio, exigindo,
em geral, a construo de sistema de transmisso. Destaca-se ainda
como inconveniente o alagamento de reas frteis, perda de terrenos
produtivos, e possveis modificaes no clima da micro-regio. As
trmicas, por sua vez, tambm necessitam de gua, para a condensao do
vapor, porm, em ordem de grandeza menor que a consumida pelas
hidrulicas, o que permite maior grau de liberdade em sua localizao,
podendo situar-se em maior proximidade dos centros de consumo. Tal
fato se traduz pela reduo de investimentos no sistema de
transmisso. Apresentam como inconveniente a emisso, na natureza, de
poluentes, resduos da combusto, e, conforme seu tipo, a utilizao de
combustvel no renovvel. De modo geral, sempre que haja
disponibilidade de energia hidrulica a opo de maior economicidade a
das usinas hidreltricas. Atualmente vo ganhando espao as turbinas a
gs, que j permitem a construo de unidades geradoras de at 500 MW.
Outro aspecto assaz importante da gerao representado pelo uso
mltiplo, isto , o vapor produzido na caldeira, usualmente
supersaturado, utilizado para o acionamento da turbina a vapor que
produz eletricidade, e sua descarga libera vapor, temperatura mais
baixa, para aplicaes industriais e para, atravs de mquina trmica,
produo de frio. Este tipo de aplicao aumenta muito o rendimento de
todo o processo, chegando a viabilizar sua utilizao em grandes
indstrias ou grandes centros de consumo. Salienta-se, ainda, a
cogerao, em que indstrias de grande porte geram a energia eltrica
que necessitam e injetam o excedente na rede de distribuio. O
Brasil, que dispe de um dos maiores potenciais hidrulicos do mundo,
conta, basicamente, com quatro grandes bacias:
- Bacia Amaznica; - Bacia do So Francisco; - Bacia do Tocantins;
- Bacia do Paran;
das quais a ltima, por sua maior proximidade com os grandes
centros de consumo, a mais explorada. A bacia Amaznica est
praticamente inexplorada, o que justificado por seu afastamento dos
centros de consumo, que exigiria a construo de sistema de
transmisso sobremodo caro. Alm disso, em se tratando de regio de
relevo sensivelmente plano, seria necessrio o alagamento de enormes
reas.
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6 INTRODUO AOS SISTEMAS DE DISTRIBUIO
1. 3 Sistema de transmisso O sistema de transmisso, que tem por
funo precpua o transporte da energia eltrica dos centros de produo
aos de consumo, deve operar interligado. Tal interligao exigida por
vrias razes, dentre elas destacando-se a confiabilidade e a
possibilidade de intercmbio entre reas. A ttulo de exemplo,
destaca-se a existncia de ciclos hidrolgicos diferentes entre as
regies de So Paulo, onde o perodo das chuvas corresponde ao vero, e
do Paran, onde tal perodo concentra-se no inverno. Deste modo a
operao interligada do sistema permite que, nos meses de vero So
Paulo exporte energia para o Paran, e que no inverno importe
energia do Paran.
O esgotamento das reservas hdricas, prximas aos centros de
consumo, imps que fosse iniciada a explorao de fontes mais
afastadas, exigindo o desenvolvimento de sistemas de transmisso de
grande porte, envolvendo o transporte de grandes montantes de
energia a grandes distncias. Este fato exigiu que as tenses de
transmisso fossem aumentadas, com grande esforo de desenvolvimento
tecnolgico. Atualmente, no mundo, h linhas operando em tenses
prximas a 1000 kV. Outra rea que ganhou grande impulso a transmisso
atravs de elos em corrente contnua, atendidos por estao
retificadora, do lado da usina, e inversora, do lado do centro de
consumo. O Brasil apresenta-se dentre os pioneiros nessa
tecnologia, tendo em operao no sistema o elo em corrente contnua de
Itaipu, que um dos maiores do mundo pela potncia transportada e
pela distncia percorrida. Opera com dois bipolos nas tenses de +
600 kV e 600 kV em relao terra, que corresponde a tenso entre
linhas de 1200 kV. Desenvolve-se desde Itaipu at Ibina, SP,
cobrindo uma distncia de 810 km e transportando uma potncia de
6.000 MW. Para distncias relativamente pequenas, que representam a
maioria do sistema de transmisso, as linhas so trifsicas e operam
em tenso na faixa de 230 a 500 kV, percorrendo centenas de
quilmetros. Subestaes, SEs, de transmisso ocupam-se em realizar as
interligaes e compatibilizar os vrios nveis de tenso. Exige-se
elevada confiabilidade dos sistemas de transmisso, de vez que so os
responsveis pelo atendimento dos grandes centros de consumo. Esse
objetivo atendido atravs de rigorosos critrios de projeto e de
operao e da existncia, obrigatria, de capacidade de transmisso
ociosa e de interligaes. Na fig. 1.3 apresentam-se as principais
linhas de transmisso e bacias hidrogrficas brasileiras. 1.4 Sistema
de distribuio 1.4.1 Sistema de subtransmisso Este elo tem a funo de
captar a energia em grosso das subestaes de subtransmisso e
transferi-la s SEs de distribuio e aos consumidores, em tenso de
subtransmisso, atravs de linhas trifsicas operando em tenses,
usualmente, de 138 kV ou 69 kV ou, mais raramente, em 34,5 kV, com
capacidade de transporte de algumas dezenas de MW por circuito,
usualmente de 20 a 150 MW. Os consumidores em tenso de
subtransmisso so representados, usualmente, por grandes instalaes
industriais, estaes de tratamento e bombeamento de gua.
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CONSTITUIO DOS SISTEMAS DE POTNCIA 7
Fig. 1.3 Bacias hidrogrficas brasileiras (Fonte: www.ons.org.br)
O sistema de subtransmisso pode operar em configurao radial, com
possibilidade de transferncia de blocos de carga quando de
contingncias. Com cuidados especiais, no que se refere proteo, pode
tambm operar em malha. Para elucidar este conceito, na fig.1.4
apresentam-se trechos da rede de transmisso, em 345 kV, e o
fechamento de malha atravs da rede de subtransmisso, 138 kV. Na
condio normal, fig.1.4a, observa-se, inicialmente, a
impossibilidade de controle da distribuio do fluxo de potncia na
rede de subtransmisso, isto , ter-se- sua distribuio em obedincia s
leis de Ohm e Kirchhoff. J na condio de contingncia, fig.1.4b,
quando, devido a existncia de defeito, ocorrer a isolao do trecho
de transmisso, pela abertura dos dois disjuntores extremos,
passando a carga a jusante do sistema de transmisso a ser suprida
pela rede de subtransmisso, com inverso no sentido do fluxo pelo
transformador. Evidentemente, esta situao invivel, exigindo-se que
o sistema de
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8 INTRODUO AOS SISTEMAS DE DISTRIBUIO
subtransmisso conte com dispositivos de proteo que bloqueiem o
fluxo de potncia em sentido inverso nos transformadores das SEs de
subtransmisso. Observa-se que o fechamento de malha entre as redes
de transmisso e de subtransmisso exige cuidados especiais no que
tange filosofia de proteo a ser adotada.
DD DD
345 kV
138 kV 138 kV
345 kV
a. Condio normal
DD DD
345 kV
138 kV 138 kV
345 kV
b. Condio contingncia
Rede de Transmisso
Rede de Subtransmisso
Fig. 1.4 Operao da subtransmisso em malha
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CONSTITUIO DOS SISTEMAS DE POTNCIA 9
Na fig. 1.5 apresentam-se esquemas tpicos utilizados em redes de
subtransmisso, onde se destacam arranjos com suprimento nico,
configurao radial, fig.1.5.a, e arranjos com duas fontes de
suprimento. Dentre estes, o da fig. 1.5.b apresenta maior
continuidade de servio e flexibilidade de operao. Em todos os
arranjos o bloco situado imediatamente a montante do transformador,
chave de entrada, representa um disjuntor, uma chave fusvel ou uma
chave seccionadora. A seguir analisar-se-, sucintamente, cada um
dos arranjos. - Rede 1: este arranjo, fig. 1.5.a, que apresenta
dentre todos o menor custo de instalao,
utilizvel quando o transformador da SE de distribuio no excede a
faixa de 10 a 15 MVA, como ordem de grandeza. Sua confiabilidade
est intimamente ligada ao trecho de rede de subtransmisso, pois,
como evidente, qualquer defeito na rede ocasiona a interrupo de
fornecimento SE. A chave de entrada, que visa unicamente a proteo
do transformador, usualmente uma chave fusvel, podendo, no entanto,
ser utilizada uma chave seccionadora, desde que o transformador
fique protegido pelo sistema de proteo da rede de
subtransmisso;
- Rede 2: neste arranjo, fig. 1.5.b, observa-se que, para
defeitos a montante de uma das barras
extremas da rede de subtransmisso ou num dos trechos da
subtransmisso, o suprimento da carga no interrompido
permanentemente. As chaves de entrada so usualmente disjuntores ou
chaves fusveis, dependendo da potncia nominal do transformador.
Estas chaves tm a funo adicional de evitar que defeitos na SE
ocasionem desligamento na rede de subtransmisso;
- Rede 3: neste arranjo, fig. 1.5.c, o barramento de alta da SE
passa a fazer parte da rede de
subtransmisso e a interrupo do suprimento comparvel com a do
arranjo anterior, exceto pelo fato que um defeito no barramento de
alta da SE impe o seccionamento da rede, pela abertura das duas
chaves de entrada. Elimina-se este inconveniente instalando-se a
montante das duas chaves de entrada uma chave de seccionamento, que
opera normalmente aberta. As chaves de entrada so usualmente
disjuntores;
- Rede 4: este arranjo, fig. 1.5.d, que conhecido como sangria
da linha, de confiabilidade e
custo inferiores aos das redes 2 e 3. utilizvel em regies onde h
vrios centros de carga, com baixa densidade de carga. As chaves de
entrada devem ser fusveis ou disjuntores, tendo em vista a proteo
da linha.
1.4.2 Subestaes de distribuio As subestaes, SEs, de distribuio,
que so supridas pela rede de subtransmisso, so responsveis pela
transformao da tenso de subtransmisso para a de distribuio primria.
H inmeros arranjos de SEs possveis, variando com a potncia
instalada na SE. Assim, em SEs que suprem regies de baixa densidade
de carga, transformador da SE com potncia nominal na ordem de 10
MVA, bastante freqente a utilizao do arranjo designado por barra
simples, fig. 1.6, que apresenta custo bastante baixo. Este tipo de
SE pode contar com uma nica linha de suprimento, fig. 1.6a, ou,
visando aumentar-se a confiabilidade, com duas linhas, fig. 1.6b.
Quando suprida por um nico alimentador, dispor, na alta tenso, de
apenas um dispositivo para a proteo do transformador. Sua
confiabilidade muito baixa, ocorrendo, para qualquer defeito na
subtransmisso, a perda do suprimento da SE. Aumenta-se a
confiabilidade dotando-se a SE de
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10 INTRODUO AOS SISTEMAS DE DISTRIBUIO
dupla alimentao radial, isto , o alimentador de subtransmisso
construdo em circuito duplo operando-se a SE com uma das duas
chaves de entrada aberta. Havendo a interrupo do alimentador em
servio abre-se sua chave de entrada, NF, e fecha-se a chave NA do
circuito de reserva. Para a manuteno do transformador ou do
barramento necessrio o desligamento da SE. Normalmente,
instalam-se, na sada dos alimentadores primrios chaves de
interconexo, fig. 1.6.c, que operam na condio NA, e quando se
deseja proceder manuteno dos disjuntores de sada transfere-se, em
hora de carga leve, por exemplo, de madrugada, toda a carga de um
alimentador para o outro e isola-se o disjuntor. Subtransmisso
Subtransmisso
c. Rede 3
b. Rede 2a. Rede 1
Subtransmisso
d. Rede 4
Subtransmisso
NF NA
NF NF
NA
Fig. 1.5 Arranjos tpicos de redes de subtransmisso
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CONSTITUIO DOS SISTEMAS DE POTNCIA 11
a. Barra simples Um circuito de
suprimento
NF NA
b. Barra simplesDois circuitos de
suprimento
DD
NA
c. Sada dos alimentadores
primrios
Fig.1.6 SE com barra simples
Em regies de densidade de carga maior aumenta-se o nmero de
transformadores utilizando-se arranjo da SE com maior
confiabilidade e maior flexibilidade operacional. Na fig. 1.7,
apresenta-se o diagrama unifilar de SE com dupla alimentao, dois
transformadores, barramentos de alta tenso independentes e
barramento de mdia tenso seccionado. Neste arranjo, ocorrendo
defeito, ou manuteno, num dos transformadores, abrem-se as chaves a
montante e a jusante do transformador, isolando-o. A seguir,
fecha-se a chave NA de seccionamento do barramento e opera-se com
todos os circuitos supridos a partir do outro transformador.
Evidentemente cada um dos transformadores deve ter capacidade, na
condio de contingncia, para suprir toda a demanda da SE. usual
definir-se, para SEs com mais de um transformador a potncia
instalada, Sinst, como sendo a soma das potncias nominais de todos
os transformadores, e potncia firme, Sfirme, aquela que a SE pode
suprir quando da sada de servio do maior transformador existente na
SE. No caso de uma SE com n transformadores, de potncias nominais
Snom( i ), com i = 1, ... , n, admitindo-se que o transformador k o
de maior potncia nominal e que, em condio de contingncia, os
transformadores podem operar com sobrecarga, em pu, de fsob, valor
clssico 1,40, isto , 40 % de sobrecarga, e que seja possvel a
transferncia de potncia, Strans, para outras SEs, pela rede
primria, atravs de manobras rpidas de chaves, ter-se- para a
potncia firme o valor:
trans
kin,1i
nomsobfirme
n,1inominst
S)i(S.fS
)i(SS
+==
=
= (1.1)
-
12 INTRODUO AOS SISTEMAS DE DISTRIBUIO
NA
a. SE barra duplaDois circuitos de suprimento
DD
NA
b. Sada dosalim. primrios
NA
Fig. 1.7 SE com dois transformadores
A ttulo de exemplo, seja uma SE com dois transformadores de 60
MVA, com fator de sobrecarga em contingncia de 1,20. Nestas
condies, sem transferncia de carga para outras SEs, resulta para a
potncia firme 601,2 = 72 MVA. Ou seja, em condio normal de operao
cada transformador operar com somente 36 MVA, que representa 60% da
potncia nominal. Destaca-se que, quando a potncia firme maior que a
instalada, fixa-se a firme igual instalada. Exemplificando, no caso
de uma SE que dispe de 4 transformadores de 25 MVA, que o fator de
sobrecarga em contingncia 1,40 e que seja possvel a transferncia,
pela rede primria, quando de contingncia de at 5 MVA, resulta:
MVA110525.3.4,1S
MVA10025.4S
firme
inst
=+===
Para este caso, a potncia firme fixada em 100 MVA. Para a
manuteno dos disjuntores dos circuitos primrios, o procedimento
utilizado o mesmo do arranjo precedente. Uma evoluo desse arranjo
est apresentada na fig. 1.8 em que se distribuiu os circuitos de
sada em vrios barramentos, permitindo-se maior flexibilidade na
transferncia de blocos de carga entre os transformadores. Uma
possibilidade de aumentar a flexibilidade para atividades de
manuteno dos disjuntores da SE, a utilizao do arranjo de barra
principal e transferncia. Na fig. 1.9 apresenta-se o diagrama
-
CONSTITUIO DOS SISTEMAS DE POTNCIA 13
unifilar deste arranjo, destacando-se que: todos os disjuntores
so do tipo extravel, ou contam com chaves seccionadoras em ambas as
extremidades; o disjuntor que perfaz a interligao entre os dois
barramentos designado por disjuntor de transferncia. Em operao
normal o barramento principal mantido energizado e o de
transferncia desenergizado, isto , o disjuntor de transferncia
mantido aberto. Desejando-se realizar manuteno, corretiva ou
preventiva, num qualquer dos disjuntores o procedimento resume-se
nos passos a seguir: - Fecha-se o disjuntor de transferncia,
energizando-se o barramento de transferncia; - Fecha-se a chave
seccionadora do disjuntor que vai ser desligado, passando a sada do
circuito a
ser suprida pelos dois barramentos; - Abre-se o disjuntor e
procede-se sua extrao do cubculo, ou, caso no seja extravel,
abre-se
suas chaves seccionadoras, isolando-o; - Transfere-se a proteo
do disjuntor que foi desenergizado para o de transferncia.
NA
NA
NA
Fig. 1.8 SE com barramentos duplicados
-
14 INTRODUO AOS SISTEMAS DE DISTRIBUIO
Ao trmino da manuteno o procedimento o inverso, isto : -
Insere-se o disjuntor no cubculo, ou fecham-se suas chaves; -
Abre-se a chave seccionadora de transferncia; - Abre-se o disjuntor
de transferncia e retorna-se a proteo ao disjuntor principal. Neste
arranjo de SE, para a manuteno do barramento principal, necessria
sua desenergizao, impossibilitando o suprimento aos alimentadores.
Este inconveniente pode ser sanado utilizando-se um barramento
adicional, barramento de reserva.
FD
D F D F
D
Barramento de transferncia
Barramento principal
D - Disjuntor
F - Chave de faca NF NA
NA
NA NF NA NF
Fig. 1.9 SE com barra principal e de transferncia 1.4.3 Sistemas
de distribuio primria 1.4.3.1 Consideraes gerais As redes de
distribuio primria, ou de mdia tenso, escopo primordial deste
livro, emergem das SEs de distribuio e operam, no caso da rede
area, radialmente, com possibilidade de transferncia de blocos de
carga entre circuitos para o atendimento da operao em condies de
contingncia, devido manuteno corretiva ou preventiva. Os troncos
dos alimentadores empregam, usualmente, condutores de seo 336,4 MCM
permitindo, na tenso de 13,8 kV, o transporte de potncia mxima de
cerca de 12 MVA, que, face necessidade de transferncia de blocos de
carga entre alimentadores, fica limitada a cerca de 8 MVA. Estas
redes atendem aos consumidores primrios e aos transformadores de
distribuio, estaes transformadoras, ETs, que suprem a rede
secundria, ou de baixa tenso. Dentre os consumidores primrios
destacam-se
-
CONSTITUIO DOS SISTEMAS DE POTNCIA 15
indstrias de porte mdio, conjuntos comerciais (shopping
centers), instalaes de iluminao pblica, etc. Podem ser areas ou
subterrneas, as primeiras de uso mais difundido, pelo seu menor
custo, e, as segundas, encontrando grande aplicao em reas de maior
densidade de carga, por exemplo zona central de uma metrpole, ou
onde h restries paisagsticas. As redes primrias areas apresentam as
configuraes:
- Primrio radial com socorro; - Primrio seletivo;
e as redes subterrneas podem ser dos tipos:
- Primrio seletivo; - Primrio operando em malha aberta; - Spot
network.
1.4.3.2 Redes areas Primrio radial As redes areas so construdas
utilizando-se postes, de concreto, em zonas urbanas, ou de madeira
tratada, em zonas rurais, que suportam, em seu topo, a cruzeta,
usualmente em madeira, com cerca de dois metros de comprimento, na
qual so fixados os isoladores de pino. Utilizam-se condutores de
alumnio com alma de ao, CAA, ou sem alma de ao, CA, nus ou
protegidos. Em algumas situaes particulares, utilizam-se condutores
de cobre. Os cabos protegidos contam com capa externa de material
isolante que se destina proteo contra contatos ocasionais de
objetos, por exemplo, galhos de rvores, sem que se destine a isolar
os condutores. A evoluo tecnolgica dos materiais isolantes permitiu
a substituio da cruzeta por estrutura isolante, sistema spacer
cable, que permite a sustentao dos cabos, agora isolados. Neste
caso o condutor conta com isolao adequada tenso de operao. Este
tipo de construo apresenta custo por quilmetro maior que o
anterior. Apresenta como vantagens a reduo sensvel da taxa de
falhas e, pela reduo do espaamento entre os condutores, a
viabilizao da passagem da linha por regies em que, face presena de
obstculos, era impossvel a utilizao da linha convencional, com
cruzeta. As redes primrias, fig. 1.10, contam com um tronco
principal do qual se derivam ramais, que usualmente so protegidos
por fusveis. Dispem de chaves de seccionamento, que operam na
condio normal fechadas, chaves normalmente fechadas, NF, que se
destinam a isolar blocos de carga, para permitir sua manuteno
corretiva ou preventiva. usual instalar-se num mesmo circuito, ou
entre circuitos diferentes, chaves que operam abertas, chaves
normalmente abertas, NA, que podem ser fechadas em manobras de
transferncia de carga. Na fig. 1.10 esto apresentados dois
circuitos que se derivam de uma mesma subestao. Supondo-se a
ocorrncia de defeito entre as chaves 01 e 02, do circuito 1,
ter-se-, inicialmente, o desligamento do disjuntor na sada da SE e,
posteriormente, a equipe de manuteno identificar o trecho com
defeito e o isolar pela abertura das chaves 01 e 02. Aps a isolao
do trecho com defeito fecha-se o disjuntor da SE restabelecendo-se
o suprimento de energia aos consumidores existentes at a chave 01,
restando os a jusante da chave 02 desenergizados. Fechando-se a
chave NA de socorro externo 03 restabelece-se o suprimento desses
consumidores atravs do circuito 02. Destaca-se que o circuito 02
poderia derivar-se de outra SE.
-
16 INTRODUO AOS SISTEMAS DE DISTRIBUIO
Evidentemente o circuito 02 deve ter capacidade para transporte
da carga transferida. Assim um critrio usual para a fixao do
carregamento de circuitos, em regime normal de operao, o de se
definir o nmero de circuitos que iro receber a carga a ser
transferida. Usualmente dois circuitos socorrem um terceiro, e
estabelece-se que o carregamento dos circuitos que recebero carga
no exceda o correspondente ao limite trmico. Assim, sendo: n nmero
de circuitos que iro absorver carga do circuito em contingncia;
Sterm carregamento correspondente ao limite trmico do circuito;
Sreg carregamento do circuito para operao em condies normais;
resulta para cada um dos circuitos que teriam absorvido a carga do
circuito em contingncia, um carregamento dado por:
nS
SS regregterm += donde o carregamento de regime dado por:
termreg S1nnS += (1.2)
que no caso de dois circuitos de socorro corresponde a 67 % da
capacidade de limite trmico. O advento da automao, com chaves
manobradas distncia, permite aumentar a flexibilidade (maior n) e,
consequentemente, maior carregamento dos alimentadores em operao
normal, Sreg.
SE
D NF NF NF
NA
D NF NF NF
NA
Circ. 01
Circ. 02
Ch.01 Ch.02
Ch.03
S S
SS
Fig. 1.10 Diagrama unifilar de rede primria
-
CONSTITUIO DOS SISTEMAS DE POTNCIA 17
1. 4.3.3 Primrio seletivo Neste sistema, que se aplica a redes
areas e subterrneas, a linha construda em circuito duplo e os
consumidores so ligados a ambos atravs de chaves de transferncia,
isto , chaves que, na condio de operao normal, conectam o
consumidor a um dos circuitos e, em emergncia, transferem-no para o
outro. Estas chaves usualmente so de transferncia automtica,
contando com rels que detectam a existncia de tenso nula em seus
terminais, verificam a inexistncia de defeito na rede do
consumidor, e comandam o motor de operao da chave, transferindo
automaticamente o consumidor para o outro circuito. Evidentemente a
tenso do outro circuito deve ser no nula. Na fig. 1.11 apresenta-se
diagrama unifilar de primrio seletivo.
NF NF
SE
D
D
ChT ChT ChT
a. Diagrama unifilar
Consumidor
Rede
Rede
NF
NA
b. Detalhe da chave de transferncia - ChT
Fig. 1.11 Primrio seletivo Neste arranjo cada circuito deve ter
capacidade para absorver toda a carga do outro, logo, o
carregamento admissvel em condies normais de operao deve ser
limitado a 50 % do limite trmico. Este tipo de arranjo apresenta
custo mais elevado que o anterior, sendo aplicvel to somente em
regies de altas densidades de carga, com grandes consumidores.
Usualmente construdo somente em alimentadores subterrneos.
-
18 INTRODUO AOS SISTEMAS DE DISTRIBUIO
1.4.3.4 Redes subterrneas Primrio operando em malha aberta Neste
arranjo, fig. 1.12, os consumidores so agrupados em barramentos que
contam com dois dispositivos de comando nas duas extremidades
(disjuntores) e o alimentador, que se deriva de duas SEs
diferentes, ou de dois disjuntores das mesma SE, est seccionado,
num ponto conveniente, atravs de disjuntor que opera aberto na
condio normal, NA. Quando da ocorrncia de defeito num trecho
qualquer da rede tem-se sua isolao, pela abertura dos dois
disjuntores da extremidade do trecho, e os barramentos que restaram
desenergizados passam a ser supridos pelo
SE D D D D
NA
SE D D D D
Fig. 1.12 Primrio em malha aberta
disjuntor NA, que tem seu acionamento comandado automaticamente.
Este arranjo, que apresenta custo elevado, exige um sistema de
proteo sobremodo sofisticado. O circuito opera, em condio normal,
com 50 % de sua capacidade, porm, deve dispor de reserva para
absorver, quando de contingncias, a carga total. 1.4.3.5 Redes
subterrneas Spot network Nestas redes, cada transformador de
distribuio, com potncia nominal de 0,5 a 2,0 MVA, suprido por dois
ou trs circuitos. Os circuitos que compem o spot network podem
derivar-se de uma nica SE ou de SEs distintas. Na fig. 1.13
apresenta-se o diagrama unifilar de uma rede do tipo spot network
com dois circuitos que se derivam de uma mesma SE. Observa-se, no
barramento de paralelo dos dois circuitos, nos transformadores, a
existncia de uma chave especial, NP, designada por network
protector, que tem por finalidade impedir o fluxo de potncia no
sentido inverso. Assim, assumindo-se a existncia de um
curto-circuito num dos trechos da rede ter-se- a circulao de
correntes apresentada na fig. 1.14. Observa-se que todos os NP do
circuito onde se estabeleceu o curto-circuito so percorridos por
corrente em sentido inverso e, de conseqncia, iro abrir,
isolando-se, aps a abertura do disjuntor da SE, todo o circuito com
defeito. As cargas do sistema estaro energizadas pelo outro
circuito.
-
CONSTITUIO DOS SISTEMAS DE POTNCIA 19
SED
D
NP NP NP NP
NP NP
Fig. 1.13 Rede spot network A confiabilidade deste sistema muito
alta, porm o custo das redes em spot network muito elevado,
justificando-se sua utilizao somente em reas de grande densidade de
carga. A rede do Plano Piloto de Braslia foi construda em spot
network com dois e trs circuitos que se derivam de SEs diferentes.
1.4.4 Estaes transformadoras As estaes transformadoras, ETs, so
constitudas por transformadores, que reduzem a tenso primria, ou
mdia tenso, para a de distribuio secundria, ou baixa tenso. Contam,
usualmente, com pra-raios, para a proteo contra sobretenses, e elos
fusveis para a proteo contra sobrecorrentes, instalados no primrio.
De seu secundrio deriva-se, sem proteo alguma, a rede secundria.
Nas redes areas utilizam-se, usualmente, transformadores trifsicos,
instalados diretamente nos postes. Em geral, suas potncias nominais
so fixadas na srie padronizada, isto , 10,0 15,0 30,0 45,0 75,0
112,5 e 150 kVA.
-
20 INTRODUO AOS SISTEMAS DE DISTRIBUIO
SED
D
NP NP NP NP
NP NP
Fig. 1.14 Correntes de defeito em rede spot network
No Brasil, a tenso de distribuio secundria est padronizada nos
valores 220/127 V e 380/220 V, havendo predomnio da primeira nos
Estados das regies sul e sudeste e da segunda no restante do pas. O
esquema mais usual consiste na utilizao de transformadores
trifsicos, com resfriamento a leo, estando os enrolamentos do
primrio ligados em tringulo e os do secundrio em estrela, com
centro estrela aterrado. Utilizam-se ainda, em alguns sistemas,
transformadores monofsicos e bancos de transformadores monofsicos.
Na fig. 1.15, ilustra-se um banco de dois transformadores
monofsicos na ligao tringulo aberto no secundrio. Um dos
transformadores, que supre os consumidores monofsicos de baixa
tenso a dois ou trs fios, conta, no secundrio, com derivao central,
apresentando tenso nominal, no padronizada, de 230/115 V. As cargas
trifsicas so supridas atravs das fases A, B e C. Observa-se que o
valor eficaz da tenso entre o ponto C e a derivao central, ponto N,
VCN = 230 3/2 = 199,2 V, inviabilizando a ligao de qualquer carga
entre esses dois terminais. O fio que se deriva do ponto C
correntemente chamado de fase alta.
-
CONSTITUIO DOS SISTEMAS DE POTNCIA 21
AB N
C
C
AN
B
230 V
230 V
115 V
A
B
Fig. 1.15 Transformador na ligao tringulo aberto Nas redes
subterrneas, a ET, usualmente utilizando transformador trifsico,
pode ser do tipo pad mounted, quando o transformador instalado
abrigado em estrutura em alvenaria ao nvel do solo, ou em cubculo
subterrneo, vault, quando o transformador deve ser do tipo
submersvel. 1.4.5 Redes de distribuio secundria 1.4.5.1 Introduo Da
ET, deriva-se a rede de baixa tenso, 220/127 V ou 380/220 V, que
pode operar em malha ou radial e que supre os consumidores de baixa
tenso, consumidores residenciais, pequenos comrcios e indstrias.
Alcana, por circuito, comprimentos da ordem de centenas de metros.
Destaca-se o predomnio, nesta rede, de consumidores residenciais.
Observa-se que a natureza de cada segmento do sistema define
implicitamente o grau de confiabilidade que dele exigido, em funo
do montante de potncia transportada. Assim, como evidente, nesta
hierarquia de responsabilidade, o primeiro elemento a SE de
subtransmisso, responsvel pela transferncia de potncia da ordem da
centena de MVA, e o ltimo a rede de baixa tenso, na qual a potncia
em jogo da ordem de dezenas de kVA. Nesse contexto a rede de
distribuio secundria usualmente no conta com recurso para o
atendimento de contingncias. 1.4.5.2 Redes secundrias areas As
redes secundrias areas podem ser radiais ou em malha. Na fig. 1.16
apresenta-se a evoluo da rede, que inicia em malha, , fig. 1.16 a,
e quando alcana seu limite de carregamento, evolui
-
22 INTRODUO AOS SISTEMAS DE DISTRIBUIO
para configurao radial, atravs da instalao de outro
transformador e seccionamento da malha nos pontos A e A, fig. 1.16
b.
a. Rede inicial b. Rede subdividida
A A A A
Fig. 1.16 Evoluo de rede de baixa tenso
1.4.5.3 Rede reticulada A rede reticulada, como o prprio nome
indica, constituda por um conjunto de malhas que so supridas por
transformadores trifsicos, com seus terminais de baixa tenso
inseridos diretamente nos ns do reticulado, conforme fig. 1.17.
Entre dois ns usual utilizar-se, em cada fase, trs cabos em
paralelo. Isto feito visando aumentar a confiabilidade e a
capacidade de carregamento do sistema. Destaca-se que este tipo de
rede, face a apresentar custo extremamente elevado, no mais
construdo. Existe em reas centrais de grandes metrpoles, So Paulo,
Rio de Janeiro, Curitiba, etc., onde foi instalado h mais de trinta
anos.
Fig. 1.17 Rede secundria reticulada