Introdução aos sistemas de distribuição elétrica - capitulo 1

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

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

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


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


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.


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.


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


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


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


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


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)


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


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


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


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.


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


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.


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.


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.


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.


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


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

Introdução aos sistemas de distribuição elétrica - capitulo 1

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