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Distribuição de Energia Elétrica

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Tema: Eletrotécnica

Distribuição de Energia Elétrica


Introdução

A indústria de eletricidade surgiu no país no século passado, próximos aos dois principais centros urbanos, Rio de Janeiro e São Paulo.

Inúmeras concessionárias se formaram no período da primeira República (1889 – 1930), quase todas em função de serviços de tração elétrica dos bondes.

A expansão e a operação dos sistemas interligados aconteceram na década 70, sendo que só em 1993, o governo promulgou a lei da reforma da legislação tarifária, que promoveu a individualização das tarifas de energia elétrica por concessionária.

Em 1995 o quadro regulador do setor sofreu importantes alterações, em fevereiro a lei que condicionou a autarquia da concessão dos serviços públicos, em geral à sua licitação, em julho a lei que fixou as regras para as concessões dos serviços de eletricidade, reconhecendo a figura do produtor independente de energia, liberando os grandes consumidores do monopólio.

Em 1996, foi criado um novo órgão regulador e fiscalizador, das atividades de energia elétrica no país, a Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL.

Em maio de 1998, definiu-se o novo marco regulatório no setor, instituindo o Mercado Atacadista de Energia – MAE, responsável de intermediar todas as transações de compra e venda de energia elétrica e o Operador Nacional do Sistema Elétrico – NOS, responsável de coordenar e controlar a operação das usinas e da rede básica de transmissão dos sistemas interligados.

As reformas do setor ganharam impulso no governo Fernando Henrique Cardoso, com as privatizações das concessionárias federais e estaduais com a separação das atividades de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica.

A distribuição de energia elétrica compreende o sistema de rede de distribuição que conduzem a eletricidade das chamadas subestações baixadoras, possibilitando a utilização desta eletricidade pelas fábricas, casas, hospitais e escritórios.

A rede de distribuição é o conjunto de fios e cabos de força aéreos ou subterrâneo que distribuem a eletricidade em um país ou uma região. Uma única rede pode fornecer eletricidade para consumidores que estão bem distantes de onde a eletricidade foi gerada, para isso as distribuidoras utilizam-se de transformadores de aumento, que elevam a voltagem e diminuem a corrente da eletricidade, possibilitando a transmissão com menor perda de energia na forma térmica.


1. As redes de distribuição

A energia elétrica disponível nos enrolamentos à média tensão das estações de transformação alta/média tensão, é introduzida nas linhas aéreas ou em cabos subterrâneos, através dos quais, e com uma eventual transformação posterior, é fornecida aos conjuntos consumidores. O conjunto das obras necessárias para exercer a função descrita constitui a rede de distribuição.

A rede de distribuição compreende:

A rede de distribuição à média tensão pode ser executada segundo dois esquemas fundamentais, o radial e o em malha.

Na distribuição do tipo radial, a rede se desenvolve segundo linhas dorsais e derivações; se desejarmos uma maior segurança de serviço, podemos prever duas linhas em paralelo para as ligações mais importantes.

Esta prerrogativa é garantida também pela distribuição do tipo em malha, na qual as cabines de transformação são alimentadas por duas partes; na forma mais simples, o esquema em malha é representado por um anel, que congrega as diversas cabines de transformação.

Se a região interessada for alimentada por duas estações diferentes de transformação, pode-se executar diversos esquemas derivados dos supra-indicados.

O sistema de distribuição do tipo radial é amplamente empregado nas zonas rurais, e naquelas em que a densidade dos consumidores é relativamente pequena, enquanto que a do tipo malha é adotado nos centros urbanos e industriais.

A rede é executada mediante linhas aéreas ou em cabo; onde for possível, preferimos as primeiras, em razão do seu menor custo, enquanto que os cabos são empregados nos centros urbanos e industriais, e em todos os casos em que a presença de condutores aéreos não é aconselhável.

1.1 Características funcionais das Estações de Transformação

1.1.1 Classificação das estações de transformação

Uma estação de transformação é um conjunto de máquinas, aparelhos e circuitos que têm a finalidade de modificar os parâmetros da potência elétrica (tensão e corrente), e de permitir a distribuição a sistemas e linhas diversas. As estações de transformação podem ser classificadas com base nas funções que devem exercer:

A estrutura de uma estação de transformação é condicionada, de modo determinante, às exigências de funcionamento no ato de sua construção, mas também aos desenvolvimentos que as redes interessadas possam ter no futuro, em razão do aumento contínuo dos consumos de energia. Muitas vezes, no projeto das estações, levam-se em conta esta perspectiva, efetuando a construção das estações em estágios sucessivos, que acompanham os desenvolvimentos supracitados.

Conforme a função que a estação deve exercer, resultam particularmente vantajosos alguns esquemas e disposições.

1.2 Transformadores

Nas estações de transformação, a parte mais importante é, certamente, representada pelos transformadores, seja pela função que eles exercem como pelo custo que importam em relação às outras partes da instalação.

Os transformadores podem ser divididos em dois grupos:

Máquinas com isolamento a seco;

Máquinas com isolamento a óleo.

Os transformadores a seco têm a parte ativa em contato direto com um meio isolante gasoso (geralmente ar), ou com um meio isolante sólido (resinas, matérias plásticas etc.). Este tipo de máquina é construído somente para potências até algumas centenas de quilovoltampères, e para tensões não superiores a 15 kV, pelo que seu emprego nas estações de transformação não pode ser mais que marginal (serviços auxiliares).

Os transformadores em óleo têm, ao invés, as partes ativas imersas em óleo mineral, e para estas máquinas não existem, praticamente, limites nas potências e nas tensões. Constroem-se máquinas para potência até 400 MVA, e para tensões além dos 500 kV, cujo emprego é típico das mais importantes estações de transformação. A evolução da técnica construtiva verificada nestes últimos anos, principalmente no que se refere ao núcleo magnético, permitiu reduzir progressivamente, e a potências iguais, os pesos e as dimensões.

1.3 Características construtivas das Estações de Transformação

Nas estações de transformação, podem-se distinguir as seguintes partes principais:

Em algumas estações, pode-se finalmente, prever condensadores síncronos girantes, ou baterias de condensadores estáticos, para a defasagem da carga, e a regulagem da tensão.

1.4 Classificação e características elétricas das linhas aéreas

As linhas aéreas podem ser subdivididas em quatro classes, segundo as definições das Normas:

Com base nesta classificação, é possível observar que, na prática, todas as linhas à alta tensão (110 a 150, 220, 380 kV) são de terceira classe.

As de segunda classe são, por sua vez, as linhas das redes de distribuição à média tensão e de primeira classes as de baixa tensão.

Não foram consideradas as linhas de contato das ferrovias e das transvias as quais devem satisfazer as normas particulares e que são tratadas na parte dedicada à tração.

As principais características de uma linha são:

Os níveis de isolamento são coordenados com os das estações de transformações colocadas nos terminais da linha, de modo que os aparelhos e as máquinas instaladas nestas últimas fiquem protegidas.

Além destas grandezas funcionais, as linhas elétricas apresentam também um certo número de parâmetros que dependem das características construtivas.

1.5 Materiais Empregados Na Construção Das Linhas Aéreas

1.5.1 Condutores

Os condutores para as linhas aéreas são constituídos de fios ou cabos, geralmente nus. Os materiais empregados são o cobre, o alumínio, algumas ligas de alumínio e aço; o cobre e o aço, como também o alumínio e o aço, podem ser usados simultaneamente para conseguir dos cabos características elétricas e mecânicas especiais.

A escolha do tipo de condutor depende da potência a transmitir, da tensão e das solicitações mecânicas às quais o condutor pode estar sujeito uma vez instalado.

Para os condutores de cobre se usa sempre material cru, que apresenta melhores características mecânicas do que o recozido. Até a seção de 50 mm² podem-se usar condutores de fio único, enquanto que para as seções maiores se preferem os cabos, que são mais flexível. Para os condutores de alumínio (pureza 99,5%), usam-se somente cabos, bem como para os de liga de alumínio. Entre estes últimos, a liga mais comum é a que recebe a denominação comercial de aldrey: tratam-se de uma liga de alumínio, magnésio e silício na qual a percentagem em peso de alumínio está entre 97 e 98,5%.

O aldrey apresenta características mecânicas melhores que o alumínio, obtidas mediante um processo de têmpera por resfriamento rápido do arame laminado previamente aquecido a 500°C.

1.6 As Cabinas de Transformação

Por cabina de transformação, entende-se o conjunto de condutores, aparelhos e maquinário empregado para efetuar a transformação da tensão fornecida pelas linhas de distribuição à média tensão, a valores de tensão compreendidos no campo da baixa tensão.

Além da específica função de transformação, as cabinas podem também servir para o seccionamento e a distribuição das linhas à média tensão.

As cabinas de transformação podem ser instaladas no interior das construções ou fora delas. Entre as cabinas colocadas externamente, um lugar importante é ocupado pelas montadas em suporte.

Em uma cabina de transformação pode-se distinguir:

1.6.1 As cabinas de transformação montadas em poste

As cabinas em postes são largamente empregadas nas redes aéreas de zonas rurais, quando a potência transformada exigida não for superior a 100 kVA. Este limite de potência permite a realização de uma instalação de baixo custo, pois:

O transformador é protegido contra as sobretensões de origem atmosféricas, mediante um trio de descarregadores de chifres. Neste segundo caso, o transformador deve, porém, ser próprio para resistir às solicitações impulsivas com onda truncada na frente.

A aparelhagem de comando e proteção contra os curto-circuitos, colocada na média tensão, é constituída, em geral, de um trio de fusível auto-seccionadores. A colocação fora de tensão do transformador exige a colocação fora de funcionamento da linha; para limitar a falta de distribuição de energia aos outros consumidores, no caso em que se necessite chegar ao transformador, muitas vezes se prefere montar o transformador em um poste separado, pouco distante da linha, enquanto que, em correspondência à derivação, se monta à aparelhagem de manobra.

Em baixa tensão, usa-se, geralmente, seccionadora sob carga, completos com fusíveis, montando o conjunto ao longo do poste no qual é montado o transformador, ou diretamente no fim da linha à baixa tensão (que pode ser aérea, ou em cabo).

Para a ligação a terra, procede-se, geralmente, dos seguintes modos:

1.6.2 Isoladores.

Os condutores das linhas aéreas são aplicados aos postes por meio de um ou mais isoladores, os quais devem possuir características mecânicas elétricas especiais.

Os materiais isolantes normalmente usados na construção de isoladores são a porcelana, o vidro e os materiais termoplásticos. Para estes últimos existem, porém, ainda algumas reservas a respeito do comportamento em presença dos arcos elétricos e, portanto, na estabilidade das características.

As características elétricas e mecânicas da porcelana e do vidro são praticamente equivalentes. Dados negativos para o vidro são a maior fragilidade e a menor resistência às diferenças de temperatura. As vantagens são representadas, por sua vez, pela facilidade com que se podem especificar os isoladores danificados nas linhas, visto que eles se fragmentam, mesmo por uma simples perfuração elétrica, mantendo, todavia, características mecânicas sufucientes; além disso, o custo dos isoladores de vidro é, geralmente, um pouco inferior ao dos isoladores de porcelana.

1.6.3 Suportes

A função de manter os condutores distantes entre si e dos corpos circundantes é confiada aos suportes, que têm características diversas, conforme o nível de tensão da rede à qual são destinados, às solicitações mecânicas a quem possam estar sujeitos e ao tipo de material empregado.

Como suporte são normalmente empregados:

Os suportes da categoria (gancho) são usados quase exclusivamente nas linhas de baixa tensão, construídas no interior das construções.

Os das outras categorias são usados tanto nas linhas de baixa e média tensão, enquanto que para as linhas de alta tensão se usam quase exclusivamente postes de ferro em treliças e postes de concreto armado centrifugado. No mesmo poste podem ser montados os condutores de uma ou mais linhas, conforme as disposições indicadas para as linhas de baixa e média e de alta tensão.

1.6.4 Terminais

Com o nome de terminais estão reagrupados os elementos aos quais é confiada a ligação elétrica e mecânica dos condutores entre si ou com os isoladores. Os principais requisitos que deve possuir um bom terminal são, portanto, os seguintes:

O alumínio é o metal para condutores que apresenta maiores preocupações neste último aspecto, uma vez que é eletropositivo em relação à quase todos os outros metais empregados no campo das linhas elétricas, e portanto, na pilha elementar que nasce do contato entre dos metais, está sujeito a ser corroído. Os inconvenientes mais graves se verificam nos contatos de alumínio com o cobre e sua ligas, pelo que eles devem ser cuidadosamente evitados com a interposição de outros metais (como zinco, cromo, cádmio).

Nenhuma prescrição é, ao invés, exigida para os terminais destinados a condutores de cobre, sendo este eletronegativo em relação a todos metais comumente usados.


2 Proteção dos sistemas de distribuição

2.1 Proteção de Linhas Aéreas

Em termos de proteção de linhas aéreas, distinguimos dois setores de proteção especifico:

A proteção de linha é aquela na qual os dispositivos de proteção são dimensionados com a finalidade de proteger os circuitos primários ou secundários contra correntes de faltas ou de sobrecargas.

Assim sendo, são eliminados trechos sob condições de falta, seccionando-os temporariamente ou permanentemente, possibilitando a extinção dos defeitos.

A proteção de equipamentos visa exclusivamente o equipamento, evitando sua danificação.

Por correntes de curtos-circuitos, por defeitos internos, por sobrecargas ou por descargas atmosféricas.

Os dispositivos de proteção não devem agir independentemente, mas, pelo contrario, as suas características de operação devem guardar entre si uma determinada relação, de forma que uma anormalidade, no sistema possa ser isolada e resolvida sem que as outras partes do mesmo sejam afetadas.

Isso é, os dispositivos devem ser coordenados de modo a operarem seletivamente.

2.2 Funções

As principais funções dos dispositivos de proteção contra sobrecorrentes e curto-circuito são:

Vários são os dispositivos para executar essas funções. Em geral um dispositivo é projetado para executar uma dessas funções e assim pode ter uma capacidade reduzida em outras condições funcionais.

Por exemplo, se um dispositivo é projetado especificamente para interromper correntes muito altas de faltas, podem ter dificuldades de interrupção quando as correntes forem indutivas ou capacitivas.

2.3 Dispositivos de proteção de linha

Como proteção de linhas, podemos utilizar os seguintes dispositivos:

2.3.1 Fusíveis

Os fusíveis são bastante utilizados numa faixa bastante ampla de tensões.

O fusível é um dispositivo de interrupção súbita e deve ser manualmente reposto para restaurar a operacionalidade do circuito. Existem vários tipos de fusíveis cada um com características próprias. Em quanto os disjuntores geralmente utilizam um relé e um transformador de corrente para detectar corrente e fornecer e fornecer o sinal de operação, o fusível fornece sua própria função de detecção e interrupção.

Portanto, fusíveis possuem características próprias de tensão x corrente que devem ser coordenadas com outros dispositivos de proteção.

Os fusíveis podem ser feitos com elementos metálicos simples, os quais derretem-se, ou por outros métodos que podem ser molas sob tensão.

Fusível Limitador de Corrente

É um dispositivo de interrupção único, que não guarda por uma corrente nula para se obter interrupção, mas força a mesma a anular-se.

O fusível consiste de condutores de prata envoltos por areia. Assim, quando os condutores derretem, há uma pequena quantidade de ar ionizado na areia e esta não é combustível.

O arco em contato com a areia fino força a redução da corrente, para zero.

A areia por sua vez, derrete formando uma substância tipo liquido vitro e com isso, resfriando o elemento vaporizado.

Características especiais são necessárias de modo a proporcionar uma ação que force a anulação da corrente rapidamente.

Se correntes de falta estão fluindo, por exemplo, através de uma indutância, o corte da corrente pode produzir tenções L di/dt no sistema.

O fusível limitador pode ter capacidade limitada para interromper correntes da ordem de 1 a 3 vezes a nominal.

Fusível Limitador de Baixa Tensão (600 V)

Um fusível limitador de corrente é de operação tão rápida, e tem um tempo de extinção de arco tão curto, que, quando operando com correntes elevadas em relação a sua corrente nominal, ele interrompe a circulação de corrente num ponto antecipado da onda e o faz tão antecipadamente que a corrente não tem a oportunidade de assumir o valor que atingiria se não existisse o fusível limitador.

A curva representa a magnitude que a corrente atingiria caso não estivesse presente o fusível limitador, ou se esse não tivesse interrompido a corrente.

As capacidades de interrupção atribuídas aos fusíveis se referem a esta corrente disponível, ou seja, a que existiria se este não tivesse interrompido.

Assim sendo, os fusíveis limitadores podem ser instalados em locais onde os níveis de curto-circuito são elevados.

As características de interrupção são bastante precisas e dignas de confiança, ao contrario dos demais tipos de fusíveis.

A fusão e ação limitadora dependem do tamanho do fusível limitador. Quanto maior o tamanho do fusível limitador, tanto mais tarde ocorrera a fusão e a ação limitadora.

Vantagens

Os fusíveis limitadores poderão ser utilizados onde os níveis de curto-circuito ultrapassem a capacidade de interrupção dos fusíveis convencionais tipo cartucho.

Em tais casos, os fusíveis limitadores com capacidade podem fornecer uma proteção segura e eficiente

Desvantagens

Os fusíveis limitadores de corrente tem uma limitação que se aplica a todos os fusíveis. Eles são dispositivos monofásicos e podem resultar na operação monofásica de um sistema trifásico.

2.3.2 Religadores

Os religadores automáticos são considerados pelas empresas elétricas do mundo inteiro equipamento essencial para o cumprimento de sua finalidade principal, ou seja,o fornecimento de energia elétrica, em condições confiáveis, seguras e de economicidade.

O desenvolvimento de religadores foi se acelerando a medida que os inconvenientes e as limitações dos elos fusíveis aumentavam os índices de interrupções.

Assim, os elos fusíveis podem ocasionar interrupções prolongadas, embora desnecessárias, porque é incapaz de diferenciar entre uma falta permanente e uma falta transitória.

Isto pode resultar em um elevado custo operacional devido o envio de uma turma de reparo, não raro, a pontos muito distantes para substituir um simples fusível queimado.

Assim, podemos avaliar os altos gastos anuais decorrentes desse serviço, muitas vezes desnecessários.

Considere-se ainda a renda perdida durante uma interrupção e os inconvenientes causados aos consumidores.

Devemos mencionar também que a seletividade entre fusíveis é limitada, e não permitem aplicações em esquemas automáticos ou manuais de controle remoto, como seccionamento remoto,ou transferência de carga.

O religador é um dispositivo ideal na medida em que interrompe faltas transitórias, evitando queimas de elos fusíveis, ou se bem coordenado com elos fusíveis, seccionando apenas o trecho sob defeito, permanecendo os demais energizados.

Basicamente, o religador não se limita apenas a sentir e interromper defeitos, de características sofisticadas, podendo ser monofásico ou trifásico. Os interruptores propriamente ditos ficam submersos em óleo ou funcionam sob vácuo.

A operação de religador não se limita apenas a sentir e interromper defeitos na linha e efetuar religações. O religador é dotado também de um mecanismo de temporização dupla.

Assim que o religador sente um defeito na linha, o mesmo dispara rapidamente, dentro de 30 ms a 40 ms.

Essa interrupção reduz ao mínimo as possibilidades de danos ao sistema, evitando ao mesmo tempo a queima de fusíveis entre o local de defeito e o religador. A religação dar-se á dentro de 1 a 2 segundos, representando uma interrupção mínima do serviço.

Após uma, duas ou três interrupções rápidas, o religador automaticamente passa para o disparo temporizado. Este, proporciona mais tempo para eliminar defeitos permanentes, e, sua combinação com as interrupções rápidas, permite coordenação efetiva com outros dispositivos de proteção existentes no sistema, tais como elos fusíveis e seccionalizadores.

As aplicações de religadores com vistas a estabelecer proteção de sobrecorrentes coordenada e seccionamento automático de linhas defeituosas são, bastante numerosas.

Considerando ainda que 80 a 95% das faltas são transitórias a importância dos religadores aumenta sensivelmente caso queiramos, obter um ótimo custo x benefício.

Vantagens

Classificação

Para entendermos melhor o funcionamento e aplicarmos adequadamente os religadores, torna-se necessário que os classifiquemos como monofásicos ou trifásicos, contrôle hidráulico ou eletrônico, meio de interrupção a óleo ou a vácuo.

Tensão Nominal kV

Corrente Máxima Nominal Permanente (A)

Corrente Nominal de Interrupção: Ampères simétricos eficazes com tensão máxima

Tipo de Religador

Monofásico

   

2,4 – 14,4

 

 

 

 

24,9

 

24,9 – 34,5

50

100

200

280

560

100

280

560

1250

3000 – 2000

3000 – 2000

6000 – 4000

12000 – 8000

2000

4000

8000

H

4H

V4H

L

D

E

4E

DV

Trifásico

   

2,4 – 14,4

 

 

 

 

 

24,9

 

24,9 – 34,5

100

200

400

560

400

560

560

560

400

400

3000 – 2000

3000 – 2000

6000 – 4000

12000 – 10000

6000

12000

8000

10000

6000

6000

6H

V6H

R

W

KF

VW

WV

VWV

RV

RVE

Controle hidráulico

Nos religadores com controle hidráulico, o óleo tem as seguintes finalidades:

Os religadores com controle hidráulico podem ser divididos em duas categorias: Sistema hidráulico único e Sistema hidráulico duplo.

Controle eletrônico

As informações para o controlador eletrônico são obtidas a partir de transformadores de corrente tipo bucha, montados internamente.

O circuito eletrônico controla as funções de disparo e religação do mecanismo do religador.

Os principais benefícios do controle eletrônico são:

2.3.3 Seccionalizador

O seccionalizador ou seccionador é um dispositivo automático projetado para operar em conjunto com o religador.

O seccionador é basicamente uma chave a óleo, monofásica ou trifásica e se assemelha pela aparência a um religador.

O seccionador, entretanto, não interrompe a corrente de defeito. Fica ligado em série, a certa distância, no lado da carga de um religador. Cada vez que o religador interrompe uma corrente de defeito, o seccionador conta á interrupção, e após um pré-determinado número de interrupções, abre seus contatos, quando a corrente que circula por ele cai abaixo de determinado nível e antes da abertura definitiva do religador.

Vantagens do Seccionador

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