Apresentação Sistemas de Energia - 2015

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APRESENTAÇÃO SISTEMAS DE ENERGIA (Segundo Semestre de 2015)

I.6.1 - Componentes de um Sistema de Energia Elétrica

O fornecimento de energia elétrica ao consumidor final é parte de um complexo sistema, que se inicia na usina geradora, passando para a subestação, com seus transformadores elevadores, linhas de transmissão e subtransmissão, subestações abaixadoras, linhas e redes de distribuição;

A operação perfeita do sistema exige a correta funcionamento dos equipamentos de geração, transformação, transmissão, proteção, comando, controle e supervisão, além do estabelecimento de uma adequada estrutura operacional (operadores treinados e criteriosas instruções operacionais);

I.6 – Sistemas de Energia Elétrica

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Componentes de um Sistema de Energia Elétrica

Figura 1- Representação de um sistema de energia elétrica

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Tanto chaves como disjuntores são dispositivos que permitem ligar ou desligar dois condutores que fazem parte de uma rede de energia elétrica;

Na modelagem de circuitos, a posição aberta corresponde a uma impedância infinita, enquanto a posição fechada corresponde a um curto-circuito (impedância nula);

Apesar de chaves e disjuntores desempenharem o mesmo papel sob o ponto de vista lógico (aberto/fechado), suas construções e operações são bastante distintas.

Figura 2- Representação de chaves e disjuntores conectando barra e linha

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Disjuntores são dispositivos que estão ligados ao sistema de proteção da rede e que operam automaticamente quando algum tipo de evento é detectado;

As chaves podem ser utilizadas basicamente para reconfigurar o sistema, inclusive para atender às necessidades de manutenção

Figura 3- Disjuntor HPF (c) 409 k - Fabricante: Sprecher Energie

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Barramento de Subestações

Os estudos de fluxo de potência em geral utilizam o modelo barra-linha, no qual as barras são os nós da rede e as linhas/transformadores são os elos entre esses nós;

As barras estão localizadas em Subestações (SEs), podendo ser constituídas por várias seções de barras ligadas através de chaves e disjuntores.

Com os disjuntores D1, D2, D4 E D6 abertos e D3, D5 e D7 Fechados, no modelo barra/linha, tem-se a situação mostrada abaixo:

Figura 4- Barramentos de subestações; (a) arranjo com múltiplas seções de barras; (b) configuração resultante a partir da abertura dos disjuntores D1, D2, D4 e D6

(a)

(b)

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Linhas de Transmissão

Apesar do atual estágio de desenvolvimento tecnológico, não há outra forma de transporte de grandes quantidades de energia elétrica senão através das linhas de transmissão em corrente alternada (LTCA), ou linhas de transmissão em corrente contínua (LTCC);

Por razões técnicas e econômicas, a transmissão deve ser feita em tensões que podem chegar a níveis como 230 kV, 345 kV, 500 kV, ou 750 kV;

No caso do sistema de transmissão em corrente contínua, há um certo consenso de que ele se torna mais atraente para grandes distâncias, ou para situações especiais, como para transmissão submarina, ou para regiões desertas (despovoadas), onde não se tem cargas expressivas ao longo do trajeto da LT;

Segundo Monticelli e Garcia (2003), “os elos de corrente contínua oferecem melhores possibilidades de controlar o fluxo de potência”.

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O O O O O OO O O O O OO O O O O OO O OO O OO O O O O O O O O

SE ARIQUEMES SE JARÚ

Usina Hidrelétrica

SE JI-Paraná

LT SMAQ LT AQJR LT JRJP

No cálculo de fluxo de potência (fluxo de carga), as linhas de transmissão são representadas por modelos

Nos estudos elétricos (estudos de fluxo de potência), a análise é feita considerando-se apenas o comportamento estacionário da LT.

O que importa é o que ocorre nos terminais da LT (barras fonte e carga). Assim, é suficiente que o modelo reproduza corretamente o comportamento da LT nas respectivas barras (relações entre correntes e tensões)

Figura 6- Representação de LT – Modelo

Figura 5- Representação das Linhas de Transmissão entre a UHE Samuel e SE Ji-Paraná

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No cálculo de fluxo de potência (fluxo de carga), as linhas de transmissão são representadas por modelos

Nos estudos elétricos (estudos de fluxo de potência), a análise é feita considerando-se apenas o comportamento estacionário da LT.

O que importa é o que ocorre nos terminais da LT (barras fonte e carga). Assim, é suficiente que o modelo reproduza corretamente o comportamento da LT nas respectivas barras (relações entre correntes e tensões)

Representação de LT – Modelo

• O moldelo da Figura ao lado, se aplica a sistemas equilibrados;

• Neste tipo de modelo são representadas as barras terminais, a linha e seus parâmetros: Impedância série (Zs = Rs + jXs), as admitâncias shunt, ou admitâncias paralelas (Yp) e a terra.

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A capacidade das linhas de transmissão (LT) é determinada pelo tipo do condutor, sua bitola e comprimento da linha;

Para linhas curtas somente o tipo e a bitola do condutor são importantes, visto que o defasamento angular da LT, sob condições de carga pesada, não é suficiente para causar um problema de estabilidade. Em tais linhas, o regime térmico do condutor é o fator limitante;

Em linhas longas, a capacidade é determinada mais pelos limites de estabilidade do que pela capacidade térmica do condutor. Em tais linhas os limites de estabilidade são atingidos antes que a corrente do condutor alcance seu limite máximo

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Uma característica importante das linhas é a impedância série (ZS = RS +jXs), que varia com o comprimento da LT. Ambos os parâmetros são positivos, indicando que a linha dissipa potência ativa e que a reatância é indutiva;

Para sistemas com tensões elevadas (500kV, ou 750 kV), a reatância é bem maior que a resistência (da ordem de 20 a 30 vezes maior que Rs)

Para sistemas de distribuição os valores de Rs e Xs são comparáveis;

A parte shunt do modelo é do tipo capacitiva;

Nas LTs os condutores são bastante afastados, o que resulta em valores relativamente pequenos de capacitância shunt. Para cabos subterrâneos, o efeito capacitivo é bastante acentuado;

A Fig. ao lado apresenta a conversão de sinais (positivos) para fluxos de potência ativa e reativa em uma LT: Os fluxos são considerados positivos quando saem da barra e entram na LT; contudo, o sinal de Q poderá ser positivo ou negativo, dependendo das condições de operação da LT (fluxo de potência ativa e magnitude das tensões terminais)

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Na Figura abaixo, a potência ativa flui da esquerda para a direita, ou seja, da fonte para a carga ( sinal positivo, de acordo com a convenção adotada);

A potência recebida pela carga sai da LT, portanto, é negativa;

• A potência reativa pode fluir de maneiras diferentes, dependendo do fator de potência da carga e do nível de excitação do gerador;

• A direção do fluxo de potência reativa depende da carga, ou seja, se a carga está consumindo reativo (caso mais comum), ou se está gerando reativos (carga com compensação de reativos);

• A direção do fluxo de reativo também depende de o gerador estar consumindo ou gerando reativos (subexcitado, ou sobreexcitado, respectivamente)

Figura 7- Representação da direção dos fluxos de potência ativa e reativa

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Transformadores

Zs = Rs + jXs

Nos transformadores de potência as reatâncias, em geral, são muito maiores que as resistências;

Tipicamente, Xs é de 20 a 50 vezes maior que Rs;

As exceções, em geral, ficam por conta dos modelos de transformadores de três enrolamentos, nos quais valores menos usuais podem aparecer;

Comparados com as linhas de transmissão, os transformadores têm perdas reativas mais elevadas;

Transformadores reguladores permitem variação no tap , o que resulta em alterações na impedância equivalente

A impedância Zs representa basicamente o efeito do fluxo disperso e as perdas no cobre

Figura 8- Representação de transformador

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BIBLIOGRAFIA

• FORTUNATO, Luiz Alberto Machado; ARARIPE NETO, Tristão de Alencar; ALBUQUERQUE, João Carlos Ribeiro de; PEREIRA, Mário Veiga Ferraz. Introdução ao planejamento da expansão e operação de sistemas de produção de energia elétrica. Niteroi: EDUFF, 1990.

• MONTICELLI Alcir; GARCIA, Ariovaldo. Introdução a sistemas de energia elétrica. Campinas: Editora da Unicamp, 2003.

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