Série Energia – GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Série Energia – GTD INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI Robson Braga de Andrade Presidente DIRETORIA DE EDUCAÇÃO E TECNOLOGIA – DIRET Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti Diretor de Educação e Tecnologia SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL – SENAI Conselho Nacional Robson Braga de Andrade Presidente SENAI – Departamento Nacional Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti Diretor Geral Gustavo Leal Sales Filho Diretor de Operações Série Energia – Geração, Transmissão e Distribuição INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) © 2018. SENAI – Departamento Nacional © 2018. SENAI – Departamento Regional da Bahia A reprodução total ou parcial desta publicação por quaisquer meios, seja eletrônico, mecânico, fotocópia, de gravação ou outros, somente será permitida com prévia autorização, por escrito, do SENAI. Esta publicação foi elaborada pela Equipe de Inovação e Tecnologias Educacionais do SENAI da Bahia, com a coordenação do SENAI Departamento Nacional, para ser utilizada por todos os Departamentos Regionais do SENAI nos cursos presenciais e a distância. SENAI Departamento Nacional Unidade de Educação Profissional e Tecnológica – UNIEP SENAI Departamento Regional da Bahia Inovação e Tecnologias Educacionais – ITED FICHA CATALOGRÁFICA S491i Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional. Instalações de sistemas elétricos de potência (SEP) / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial, Departamento Nacional, Departamento Regional da Bahia. - Brasília: SENAI/DN, 2018. 118 p.: il. - (Série Energia - Geração, Transmissão e Distribuição). ISBN 978-85-505-0290-8 1. Instalações elétricas. 2. Sistemas de energia elétrica. 3. Energia elétrica. 4. Projetos. I. Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. II. Departamento Nacional. III. Departamento Regional da Bahia. IV. Comunicação oral e escrita. V. Série Energia - Geração, Transmissão e Distribuição. CDU: 621.32 SENAI Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Nacional Sede Setor Bancário Norte • Quadra 1 • Bloco C • Edifício Roberto Simonsen • 70040-903 • Brasília – DF • Tel.: (0xx61) 3317-9001 Fax: (0xx61) 3317-9190 • http://www.senai.br Lista de ilustrações Figura 1 - Sistemas híbridos de geração de energia ...........................................................................................20 Figura 2 - Configuração de um sistema solar..........................................................................................................21 Figura 3 - Minigeração de energia conectada à rede..........................................................................................23 Figura 4 - Configuração de um sistema eólico isolado........................................................................................24 Figura 5 - Turbina hidráulica.........................................................................................................................................25 Figura 6 - Usina térmica .................................................................................................................................................26 Figura 7 - Esquema de geração térmica...................................................................................................................27 Figura 8 - Atração e repulsão entre átomos............................................................................................................28 Figura 9 - Processo interno do reator nuclear.........................................................................................................29 Figura 10 - Geração pelas ondas do mar .................................................................................................................30 Figura 11 - Subestação de energia.............................................................................................................................35 Figura 12 - Sistema Elétrico de Potência .................................................................................................................36 Figura 13 - Diagrama unifilar .......................................................................................................................................38 Figura 14 - Disjuntor........................................................................................................................................................44 Figura 15 - Transformadores de força........................................................................................................................45 Figura 16 - Transformador de corrente.....................................................................................................................46 Figura 17 - Transformador de potencial....................................................................................................................46 Figura 18 - Capacitores...................................................................................................................................................47 Figura 19 - Chaves seccionadoras...............................................................................................................................48 Figura 20 - Seccionadores fusíveis..............................................................................................................................48 Figura 21 - Reator derivação – 230 kV – 10 MVA....................................................................................................49 Figura 22 - Malha de aterramento..............................................................................................................................50 Figura 23 - Isoladores.......................................................................................................................................................51 Figura 24 - Cabos condutores com material isolante..........................................................................................53 Figura 25 - Conector para cabos de alta tensão....................................................................................................53 Figura 26 - Barramento ..................................................................................................................................................54 Figura 27 - Para-raios e descarregadores de chifre...............................................................................................55 Figura 28 - Sistema de proteção..................................................................................................................................56 Figura 29 - Campo de atuação de um Smart grid ................................................................................................62 Figura 30 - Conexão de um relé ao SEP.....................................................................................................................64 Figura 31 - Característica de tempo para funções de sobrecorrente do relé..............................................64 Figura 32 - Chave-fusível................................................................................................................................................65 Figura 33 - Circuito de acionamento de um disjuntor.........................................................................................66 Figura 34 - Aplicação de um religador na saída do alimentador de uma subestação.............................66 Figura 35 - Sequência de operação de um religador...........................................................................................67 Figura 36 - Chave seccionalizadora instalada à jusante de um religador.....................................................67 Figura 37 - Arquitetura da rede elétrica unidirecional x rede elétrica multidirecional............................69 Figura 38 - Topologia de comunicação com fibra ótica......................................................................................71 Figura 39 - Topologia de comunicação com rádio interligado ao SCADA...................................................71 Figura 40 - Bay de saída de um alimentador...........................................................................................................78 Figura 41 - Chaves seccionadoras...............................................................................................................................78 Figura 42 - Sistema Elétrico de Potência (SEP).......................................................................................................79 Figura 43 - Rede de distribuição..................................................................................................................................80 Figura 44 - Mufla de baixa tensão...............................................................................................................................81 Figura 45 - Rede space ...................................................................................................................................................81 Figura 46 - Rede multiplexada.....................................................................................................................................82 Figura 47 - Rede convencional.....................................................................................................................................82 Figura 48 - Tensões utilizadas em um SEP................................................................................................................84 Figura 49 - Ramal de ligação.........................................................................................................................................87 Figura 50 - Condutor de alumínio NU ......................................................................................................................88 Figura 51 - Cabo protegido ..........................................................................................................................................88 Figura 52 - Condutores multiplexados - isolados . ...............................................................................................89 Figura 53 - Entrada de serviço de energia................................................................................................................90 Figura 54 - Chave para desligamento de circuito defeituoso...........................................................................91 Figura 55 - Linhas de transmissão de energia elétrica.........................................................................................97 Figura 56 - Estrutura básica de um sistema elétrico.............................................................................................99 Figura 57 - Sistema Interligado Nacional (SIN).................................................................................................... 101 Figura 58 - Representação dos processos de transmissão.............................................................................. 103 Figura 59 - Zonas de proteção................................................................................................................................... 104 Quadro 1 - Tipos de subestações..................................................................................................................................33 Quadro 2 - Simbologia utilizada em um diagrama de subestação..................................................................36 Quadro 3 - Condutores de aterramento....................................................................................................................46 Quadro 4 - Tipos de isoladores......................................................................................................................................48 Quadro 5 - Aplicações dos isoladores.........................................................................................................................48 Quadro 6 - Condutores para ramais de distribuição.............................................................................................81 Quadro 7 - Tipos de conectores....................................................................................................................................82 Quadro 8 - Extensão das LT por nível de tensão.....................................................................................................96 Sumário 1 Introdução.........................................................................................................................................................................13 2 Geração de energia – características e diagramas..............................................................................................19 2.1 Aplicações conforme normas e padrões da concessionária local..............................................20 2.2 Tipos de geração – dimensionamento – funcionamento e ligações.........................................20 2.2.1 Geração solar...............................................................................................................................21 2.2.2 Geração eólica.............................................................................................................................23 2.2.3 Geração hidráulica.....................................................................................................................24 2.2.4 Geração térmica.........................................................................................................................26 2.2.5 Geração nuclear..........................................................................................................................28 2.2.6 Maremotriz - energia dos mares...........................................................................................30 3 Subestações de energia...............................................................................................................................................35 3.1 Características gerais das subestações.................................................................................................36 3.2 Tipos de subestações..................................................................................................................................37 3.2.1 Diagrama unifilar.......................................................................................................................38 3.2.2 Identificação e codificação de uma subestação.............................................................40 3.3 Equipamentos de uma subestação.......................................................................................................43 3.3.1 Equipamentos de manobra...................................................................................................43 3.3.2 Transformadores de força.......................................................................................................45 3.3.3 Transformadores de instrumentos......................................................................................45 3.3.4 Capacitores shunt .....................................................................................................................47 3.3.5 Chaves seccionadoras primárias..........................................................................................47 3.3.6 Seccionadores fusíveis.............................................................................................................48 3.3.7 Reatores.........................................................................................................................................49 3.3.8 Malhas de aterramento............................................................................................................49 3.3.9 Isoladores – metais isolantes.................................................................................................51 3.3.10 Cabos isolados..........................................................................................................................53 3.3.11 Conectores.................................................................................................................................53 3.3.12 Barras nuas.................................................................................................................................54 3.3.13 Para-raios e descarregadores de chifre ou centelhadores ......................................55 3.4 Sistemas de proteção – relé de sobrecorrente, relés de sub e sobre tensão, relés de gás ou buchholz, relés de temperatura, relé diferencial, válvula de alívio de pressão...............56 3.4.1 Proteções internas dos transformadores de força.........................................................56 3.4.2 Proteções externas dos transformadores de força........................................................57 4 Smart grid – conceituação e características..........................................................................................................61 4.1 Características gerais do smart grid......................................................................................................62 4.2 Automação da proteção das redes.......................................................................................................63 4.3 Automação da distribuição das redes - equipamentos de proteção........................................63 4.3.1 Relés................................................................................................................................................63 4.3.2 Chaves fusíveis............................................................................................................................65 4.3.3 Disjuntores...................................................................................................................................65 4.3.4 Religadores...................................................................................................................................66 4.3.5 Seccionadores.............................................................................................................................67 4.4 Self-healing ....................................................................................................................................................68 4.4.1 Implementação..........................................................................................................................70 4.4.2 Instalação da rede......................................................................................................................70 5 Distribuição de energia – características, ligações e funcionamento..........................................................77 5.1 Aplicação conforme norma e padrões da concessionária local .................................................79 5.2 Tipos de distribuição: aérea, subterrânea, rural e urbana..............................................................80 5.2.1 Sistema de proteção.................................................................................................................83 5.2.2 Classe de tensão: BT, MT, AT e ligações..............................................................................84 5.3 Equipamentos de manobra e de transformação..............................................................................85 5.3.1 Conexões elétricas.....................................................................................................................85 5.3.2 Ramais de ligação......................................................................................................................87 5.3.3 Entrada de serviço.....................................................................................................................90 5.4 Requisitos básicos para aplicação de conexões................................................................................92 6 Características da transmissão de energia............................................................................................................97 6.1 Funcionamento de um sistema elétrico de potência......................................................................99 6.2 Tipos de transmissão e diagramas...................................................................................................... 100 6.2.1 Ligações .................................................................................................................................... 102 6.2.2 Simbologia................................................................................................................................ 102 6.3 Aplicação conforme norma e padrões da concessionária local............................................... 103 6.3.1 Critérios básicos de um sistema de proteção............................................................... 105 6.3.2 Identificação dos critérios padronizados para análise de atuação da proteção..................................................................................................................................... 106 Referências......................................................................................................................................................................... 109 Minicurrículo do autor................................................................................................................................................... 113 Índice................................................................................................................................................................................... 115 Introdução 1 Prezado aluno, É com grande satisfação que o Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (SENAI) traz o livro didático Instalações de Sistemas Elétricos de Potência (SEP). Os conhecimentos que serão apresentados nesse livro são de extrema importância para a formação de um bom eletrotécnico, portanto devem ser estudados todos os assuntos com a devida importância, com o objetivo de desenvolver capacidades técnicas relativas à manutenção, operação e o controle dos sistemas elétricos de potência, bem como capacidades sociais, organizativas e metodológicas, de acordo com a atuação do técnico no mundo do trabalho. Você aprenderá aqui sobre os sistemas de geração, transmissão, subestação, distribuição e smart grid. Também analisará e aprenderá as aplicabilidades de cada equipamento e dispositivo de proteção e medição que compõe o sistema elétrico de potência. Além disso, conhecerá as recomendações das normas técnicas referentes a estes sistemas, suas características, simbologias e a forma correta de utilizá-los. A proteção é um quesito muito importante quando o assunto é energia elétrica. Você aprenderá sobre os sistemas de aterramento, conhecendo suas aplicações conforme as normas técnicas, as principais características, simbologias e os tipos de esquemas de aterramento utilizados no SEP. Por fim, esperamos que esse livro desperte a sua preocupação com a qualidade da sua atuação profissional na área de eletrotécnica, bem como com a qualidade de vida dos clientes e receptores dos seus serviços e com os impactos que a área elétrica oferece à população. 14 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Durante nosso estudo, abordaremos assuntos que lhe permitirão desenvolver: CAPACIDADES SOCIAIS a) Comunicar-se com clareza; b) Demonstrar atitudes éticas; c) Ter proatividade; d) Ter responsabilidade; e) Trabalhar em equipe. CAPACIDADES METODOLÓGICAS a) Cumprir normas e procedimentos; b) Identificar diferentes alternativas de solução nas situações propostas; c) Manter-se atualizado tecnicamente; d) Ter capacidade de análise; e) Ter senso crítico; f) Ter senso investigativo; g) Ter visão sistêmica. CAPACIDADES ORGANIZATIVAS a) Aplicar procedimentos técnicos; b) Demonstrar organização; c) Estabelecer prioridades; d) Ter responsabilidade socioambiental. CAPACIDADES TÉCNICAS a) Analisar diagramas elétricos; b) Analisar parâmetros elétricos registrados; c) Analisar registros de manutenções; d) Aplicar normas técnicas, de qualidade, de saúde e segurança no trabalho e de preservação ambiental; e) Compatibilizar a instalação do SEP com as exigências dos órgãos governamentais; f) Consultar catálogos e manuais de fabricantes; 1 introdução 15 g) Controlar prazos e datas referentes à tramitação da documentação de autorização na instalação do SEP; h) Descartar resíduos em conformidade com as normas ambientais vigentes considerando as esferas Municipal, Estadual e Federal; i) Elaborar Análise Preliminar de Risco (APR); j) Elaborar o cronograma de montagem da instalação; k) Elaborar Ordem de Serviço (OS); l) Identificar a documentação necessária à solicitação de autorização para instalação de Sistemas Elétricos de Potência (SEP); m) Identificar as exigências dos órgãos governamentais quanto à instalação do Sistema Elétrico de Potência (SEP); n) Identificar as implicações legais decorrentes da falta de documentos ou da falta de cumprimento de prazos no atendimento das exigências dos órgãos governamentais o) Identificar normas regulamentadoras e técnicas; p) Identificar os materiais, componentes, instrumentos, ferramentas e equipamentos; q) Identificar os riscos; r) Identificar sistemas elétricos; s) Instalar a infraestrutura conforme projeto; t) Instalar os circuitos elétricos conforme projeto; u) Interpretar diagramas elétricos; v) Interpretar grandezas elétricas; w) Interpretar leiautes; x) Interpretar normas, procedimentos e manuais; y) Interpretar parâmetros do sistema; z) Interpretar planta baixa e leiautes; aa) Parametrizar os equipamentos; ab) Preencher as documentações necessárias; ac) Realizar Análise Preliminar de Riscos (APR); ad) Realizar as conexões elétricas; ae) Reconhecer princípios de eletricidade; af) Reconhecer princípios de qualidade, segurança, saúde e meio ambiente; ag) Relacionar EPI e EPC; ah) Relacionar os materiais, equipamentos, instrumentos e ferramentas necessários; ai) Segregar os resíduos em função de sua destinação; aj) Seguir a ordem de serviço; ak) Seguir os procedimentos de trabalho; 16 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) al) Seguir regulamentações da concessionária local; am) Selecionar catálogos e manuais para a manutenção de sistemas elétricos; an) Selecionar procedimentos de trabalho; ao) Separar EPI e EPC; ap) Separar os materiais, equipamentos, instrumentos e ferramentas necessários; aq) Utilizar EPI e EPC; ar) Utilizar ferramentas e instrumentos; as) Utilizar novas tecnologias. Convido você a se alimentar de conhecimentos teóricos com a leitura dessa obra de extrema importância para sua formação técnica. Bons estudos! 1 introdução 17 Geração de energia – características e diagramas 2 Geração de energia nada mais é do que a sua produção com a utilização de várias fontes, podendo ser tradicionais como hidráulica e térmicas, ou alternativas – também chamadas de fontes limpas – como solar e eólica. A geração de energia possui complexidade técnica e econômica, visto que a energia pode ser dividida em: a) Física: que é compreendida pelas energias Hidráulica, Mecânica, Cinética e Dinâmica dos corpos; b) Química: que contempla as energias originadas da energia da combustão, de células fotoelétricas e fotovoltaicas e de origem das reações químicas; c) Atômica: originária da divisão do átomo; d) Elétrica: originada da movimentação de elétrons em um campo elétrico. Baseado nas características da geração de energia que fazem parte de cada tipo, sendo ela solar, eólica, hidráulica, térmica, nuclear e maremotriz, pode-se converter as outras formas de energia na elétrica. Vejamos: a) Hidrelétrica: transforma energia potencial e cinética em elétrica; b) Termoelétrica: o combustível gera calor que aquece a água, movimenta o motor e gera energia elétrica. As térmicas a gás, carvão, diesel, óleos, gasolina, biomassa, etc. geram calor via energia química; c) Nucleares: geram calor, através da quebra atômica, para ser utilizada em turbinas acopladas a geradores a fim de gerar energia elétrica; d) Solares: geram calor através da energia luminosa para aquecimento de água em residências, hotéis e indústrias ou geram energia elétrica através das placas fotovoltaicas; e) Eólicas: a matéria-prima utilizada é a força dos ventos; f) Maremotriz: geram energia elétrica através das ondas do mar. A finalidade dos vários tipos de produção de energia existentes, conforme pode ser visto na figura seguinte, pode ser representada pelos Sistemas Híbridos. Estes nada mais são do que 20 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) sistemas isolados de geração solar, eólica ou térmica que trabalham na seguinte ordem: quando há sol, ou vento, ou ainda óleo diesel para queimar nas turbinas. Figura 1 - Sistemas híbridos de geração de energia Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. Nesse capítulo, estudaremos sobre a geração de energia com o objetivo de conhecer as normas e padrões da concessionária local e, principalmente, os vários tipos de produção de energia elétrica, tão necessária à melhoria da qualidade de vida de todos, uma vez que toda energia elétrica produzida precisa ser transmitida e distribuída para os grandes, médios e pequenos consumidores, não podendo estocar a energia elétrica, e sim, a matéria-prima, como a água, o gás natural, o óleo diesel, o carvão, etc. Ao concluir esse capítulo, esperamos que você seja capaz de identificar sistemas elétricos, bem como utilizar novas tecnologias de produção de energia, que são as fontes alternativas de geração. 2.1 APLICAÇÕES conforme Normas e Padrões da Concessionária local A Energia Elétrica é produzida em centrais elétricas que utilizam diversas fontes primárias de energia. Esta energia, após ser produzida é transportada e distribuída para os Centros de Consumo, que são o espaço onde se localizam os consumidores residenciais, comerciais, industriais, rurais, iluminação pública, etc. A cada segmento de Geração (G), Transmissão (T) e Distribuição (D) estão associados os custos, que acrescidos de uma justa remuneração dos investimentos, se transformam em tarifa, a qual pagamos na conta de energia mensal. A partir disso, cada Concessionária de Energia local exige que sejam consultadas suas normas e padrões internos para o desenvolvimento de qualquer projeto elétrico de seus clientes. 2.2 TIPOS DE GERAÇÃO – DIMENSIONAMENTO – FUNCIONAMENTO E LIGAÇÕES Para que haja economia na produção da energia elétrica, existem vários tipos de geração. As tradicionais são as usinas hidráulicas, as térmicas e as nucleares. Já as conhecidas como fontes alternativas de produção 2 Geração de Energia – Características e Diagramas 21 de energia são as solares, eólicas, de biomassa, maremotriz e geotérmicas, que utilizam, respectivamente, o potencial do sol, dos ventos, dos restos orgânicos, das ondas do mar e do fundo da terra. SAIBA MAIS Para aprofundar seus conhecimentos em fontes alternativas de energia, consulte o site do Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito (CRESESB). A seguir, veremos as especificidades de cada tipo, o seu funcionamento, e o processo de ligação. 2.2.1 GERAÇÃO SOLAR A geração solar tem como fonte o sol e é aplicada para diversas finalidades, tendo como principais formas de uso a geração fotovoltaica e aproveitamento do calor do sol para aquecimento de água. Para produção de energia solar costuma-se utilizar a energia gerada por módulos fotovoltaicos, os quais produzem o chamado efeito fotovoltaico, que decorre da excitação dos elétrons de alguns materiais na presença da luz solar. Entre os materiais mais adequados para a conversão da radiação solar, em energia elétrica, usualmente chamados de células solares ou fotovoltaicas, destaca-se o silício. Os projetos de geração de energia própria nas indústrias devem fornecer aos usuários economia, estabilidade na rede e respeito ao meio ambiente. A geração própria é feita, principalmente, através de módulos fotovoltaicos instalados nos telhados ou lajes das indústrias que devem ser dimensionados através de estudos do consumo mensal, seguindo todas as normas, evitando sistemas superdimensionados, com superaquecimento e ambientes incorretos. Figura 2 - Configuração de um sistema solar Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. 22 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) A eficiência de conversão das células solares é medida pela proporção da radiação solar incidente sobre a superfície da célula que é convertida em energia elétrica, que posteriormente será inserida na rede elétrica da concessionária. Um dos benefícios da utilização dessa energia é que o usuário poderá, por fim, balancear a energia consumida com a gerada pelo sol e fazer a compensação com um desconto na fatura do consumidor, reduzindo assim os custos. Além da redução dos custos, os sistemas fotovoltaicos oferecem diversas vantagens para a rede elétrica, como a redução de perdas de transmissão e distribuição de energia já que o consumo da eletricidade é no mesmo local em que é produzida, é uma energia limpa, necessita de pouca manutenção, entre outras. Por ser um processo relativamente novo, a maioria das pessoas não tem o conhecimento necessário para aproveitar dessa modalidade que é de extrema importância na integração ao sistema elétrico brasileiro, especialmente, como modalidade de micro e minigeração fotovoltaica solar para geração de energia elétrica, a fim de que unidades consumidoras de pequeno e médio porte possam contribuir com o sistema e se tornar um produtor independente de energia limpa. CASOS E RELATOS Parque Solar conectado à rede elétrica Uma empresa de energia solar tentou se conectar à rede de distribuição de uma concessionária. Foram necessários vários estudos de conexão, utilizando os padrões e regras estabelecidos pela distribuidora de energia local. Após a realização destes estudos e a construção de uma subestação de energia de chaveamento para permitir o entroncamento do parque solar na rede de distribuição, a obra foi iniciada e concluída. Os consumidores puderam ter sua energia elétrica reforçada através da geração solar conectada à rede de distribuição da concessionária local. Com a elevação da produção da energia, não houve mais a necessidade de racionalização do uso da eletricidade por parte dos consumidores, conforme orientação da distribuidora de energia local. A rede elétrica foi reforçada para suportar mais consumidores ligados a ela, permitindo um aumento do número de clientes conectados ao sistema. Então, a satisfação dos mesmos aumentou, visto que puderam ser adquiridos mais equipamentos elétricos e eletrônicos, já que havia mais disponibilidade de energia elétrica na rede de distribuição. Os clientes que se tornam micro ou minigeradores poderão contribuir para que outros consumidores possam ser interligados a esse sistema e serem beneficiados com a energia elétrica. Podemos ver na figura a seguir esse tipo de ligação em espaços residenciais. 2 Geração de Energia – Características e Diagramas 23 kwh Energia injetada Quadro de energia kwh kwh kwh kwh kwh Energia consumida Figura 3 - Minigeração de energia conectada à rede Fonte: SENAI DR BA, 2018. Conforme visto na imagem anterior, micro ou minigeração é o consumidor gerando sua energia elétrica, através do sistema fotovoltaico e disponibilizando para a rede a energia que sobra e que não é utilizada. Para tal, há necessidade de se ter um quadro de energia, que medirá a energia gerada pelo consumidor que é exportada para a rede. A diferença é computada em favor do consumidor, que pagará uma conta de energia mais barata. A energia solar é uma fonte alternativa, renovável e não poluente. Entretanto, uma das restrições técnicas à difusão de projetos de aproveitamento da energia solar é a baixa eficiência dos sistemas de conversão de energia, o que torna necessário o uso de grandes áreas para a captação de energia em quantidade suficiente para que o empreendimento se torne economicamente viável. Comparada, contudo, a outras fontes, como a energia hidráulica, que muitas vezes exige grandes áreas inundadas, observa-se que a limitação de espaço não é tão restritiva ao aproveitamento da energia solar. 2.2.2 GERAÇÃO EÓLICA A energia eólica é uma forma de se obter energia elétrica a partir da energia dos ventos (cinética). Com isso, ela é mais limpa e por ser renovável no sistema se torna bastante flexível; ao contrário de outras fontes, para se gerar energia eólica deve-se atentar apenas ao regime dos ventos. É possível perceber que a energia eólica tem um grande valor para matriz energética, na complementação da fonte hídrica. A energia eólica, no âmbito da micro e minigeração, se mostra um grande referencial para auxiliar a matriz, pois normalmente são instaladas próximas aos centros de carga e são conectadas à rede da concessionária, que controla todo o sistema de medição, fazendo leituras entre a energia consumida e a gerada, e, a depender, o consumidor ainda ficará com crédito de energia, gerando uma grande economia. Os sistemas eólicos podem ser de três tipos: isolados, híbridos e eólicos. Os isolados são sistemas normalmente instalados em locais de difícil acesso, onde não foi possível ou até, em muitos casos, inviável a disponibilidade de uma rede de transmissão. Estes sistemas, normalmente, são aplicados em eletrificação rural. Normalmente utilizam alguma forma de armazenamento em que, na maioria dos casos, são utilizados bancos de baterias para, em conjunto com um inversor, tornar possível a utilização de aparelhos elétricos, conforme pode ser observado na figura seguinte. 24 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Aerogerador Controlador de carga Eletrodomésticos Telefones Geladeiras Inversor Lâmpadas Computadores Baterias Figura 4 - Configuração de um sistema eólico isolado Fonte: CRESESB, [20--]. (Adaptado). Os sistemas híbridos trabalham em conjunto, ou seja, interligados, aproveitando as matérias-primas da natureza como o sol, o vento e a biomassa (que são folhas e galhos de árvores sem vida). Quando o sol é utilizado, através do uso das placas fotovoltaicas, tem-se a geração solar. O vento é utilizado para a produção da energia eólica e a biomassa, o óleo diesel e o gás natural compõem a geração térmica. Estas fontes de geração trabalham isoladas, quando da disponibilidade das matérias-primas mencionadas anteriormente, ou seja, se tem sol, a solar é utilizada; se há ventos, a eólica é usada. Na falta dessas duas matérias-primas, a geração térmica entra em operação. Já os sistemas eólicos interligados à rede geram a energia elétrica, através dos ventos, e se conectam à rede elétrica. Portanto, a eletricidade produzida pela usina de energia eólica é, então, transmitida pelas redes de transmissão de energia e distribuída pelas concessionárias locais de energia para o uso em sua casa ou empresa. 2.2.3 GERAÇÃO HIDRÁULICA Quando se refere à matriz de geração de energia elétrica, cerca de quase 64%, segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), provêm de usinas hidroelétricas que aproveitam a vazão dos rios para transformar energia mecânica em elétrica. A energia hidrelétrica funciona de maneira bem simples. Ela utiliza a energia natural encontrada em um rio que flui rapidamente de uma elevação alta para uma superfície mais baixa, ou seja, consiste no aproveitamento de desníveis no relevo geográfico para acumular grandes volumes de água dos rios através de barragens, que são responsáveis pela contenção da água acumulando-a para ser usada na geração de energia a fim de movimentar uma turbina, através das energias cinética (que é a massa vezes a velocidade da água ao quadrado) e da potencial (que é a massa da água vezes a aceleração da gravidade) e gerar 2 Geração de Energia – Características e Diagramas 25 energia elétrica pelo gerador. Figura 5 - Turbina hidráulica Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. O aproveitamento da energia hidráulica para geração de energia elétrica é feito por meio do uso de turbinas hidráulicas, devidamente acopladas a um gerador. Com eficiência que pode chegar a 90%, as turbinas hidráulicas são atualmente as formas mais eficientes de conversão de energia primária em energia secundária. Vejamos a seguir as vantagens e desvantagens na utilização e geração da energia hidráulica: a) Vantagens -- Baixo custo do megawatt; -- Forma de energia limpa e sem poluentes; -- Geração de empregos; -- Desenvolvimento econômico; -- Regulação do curso do rio; -- Controle de enchentes e secas na região. b) Desvantagens -- A destruição da vegetação natural; -- Assoreamento do leito dos rios; -- Desmoronamento de barreiras; -- Extinção de certas espécies de peixes e torna o ambiente propício à transmissão de doenças como malária e esquistossomose. 26 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Daremos continuidade aos nossos estudos conhecendo a geração térmica. Vejamos. 2.2.4 GERAÇÃO TÉRMICA A geração térmica trata-se de um conjunto de equipamentos que tem como função produzir energia elétrica a partir da energia térmica obtida pela combustão de determinado produto combustível, como óleo diesel, gás natural, biomassa, conforme pode ser visto na figura seguinte. Figura 6 - Usina térmica Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. A geração da energia térmica consiste em um processo mecânico, em que a queima de combustível se faz presente. O calor é produzido pelo sistema mecânico e depois convertido em energia elétrica pelo gerador. Entre os combustíveis utilizados em usinas térmicas o mais lucrativo é a biomassa, geralmente feita a partir do bagaço da cana-de-açúcar e da casca do arroz. Estes são mais baratos se comparados aos combustíveis fósseis, além de serem muito menos poluentes. A principal característica da energia térmica é o seu alto rendimento. O calor é produzido pelo sistema mecânico e depois convertido em energia elétrica pelo gerador. Basicamente, a energia térmica é gerada através do seu alto teor de calor. No ato da geração, as temperaturas podem chegar a até 500°c. No Brasil, o sistema de geração térmica não é viável, pois depende muito das situações climáticas do país. 2 Geração de Energia – Características e Diagramas 27 Na figura seguinte pode ser observado o esquema de uma usina térmica. Vapor d’água Caldeira Turbina Gerador Fornalha Água Condensador Figura 7 - Esquema de geração térmica Fonte: SENAI DR BA, 2018. Para a utilização dessa forma de geração de energia, podemos destacar: a) Vantagens: -- Construção barata; -- Proximidade do mercado consumidor; -- Reduz custo com torres e linha de transmissão; -- Barateia os custos de transmissão da área de produção até aquele que recebe a energia; -- Seus combustíveis são mais ecológicos que os outros usados na maioria das outras usinas, como o gás natural, que tem origem na natureza, bem como, uma combustão limpa. b) Desvantagens: -- Poluição; -- Preço dos combustíveis; -- Desmatamento de áreas imensas para obtenção da matéria-prima; -- Lixo atômico: liberação do dióxido de carbono. FIQUE ALERTA Cuidados ambientais de preservação da natureza devem ser tomados, em relação à emissão de gases tóxicos que são emitidos, pelas usinas térmicas, prejudicando a camada de ozônio. 28 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Embora as fontes alternativas de energia sejam muito adequadas às suas utilizações, certos cuidados com o meio ambiente devem ser tomados para que não haja destruição das reservas naturais mundiais e possa-se manter o planeta nas melhores condições de sobrevivência de seus habitantes. 2.2.5 GERAÇÃO NUCLEAR A chamada energia nuclear ou termonuclear é baseada na divisão de átomos de um determinado elemento químico. Ao serem divididos, os átomos liberam certa energia. Para se entender o que é a energia nuclear é necessário entender que existem forças de atração e repulsão nestes átomos, conforme pode ser visto na figura seguinte: Elétron repele elétron e e Próton repele próton p p Elétron atrai próton e p Figura 8 - Atração e repulsão entre átomos Fonte: SENAI DR BA, 2018. A energia nuclear também pode ser ainda utilizada na fabricação de bombas nucleares. O reator nuclear é um sistema onde a reação de fissão em cadeia é mantida sob controle e a energia liberada na fissão é usada como fonte de calor para ferver água, cujo vapor aciona uma turbina geradora, que produz eletricidade como numa usina termoelétrica convencional. O calor gerado eleva a temperatura da água no interior do reator. Numa bomba circula água quente para um gerador de vapor de água (GV) e o vapor aciona uma turbina que opera um gerador elétrico. Portanto, o reator é a parte integrante principal das usinas nucleares, onde a fissão nuclear ocorre de modo controlado e a energia liberada é aproveitada para a produção de energia elétrica. O calor liberado na fissão aquece a água, mantida a alta pressão. Esta, por sua vez, aquece outra porção de água que entra em ebulição. O vapor produzido faz a turbina girar, cujo eixo se liga a um gerador elétrico o qual, por sua vez, transforma a energia do movimento em energia elétrica. 2 Geração de Energia – Características e Diagramas 29 Na figura seguinte tem-se o processo que ocorre em um reator nuclear. Vaso de contenção Reator Vaso de pressão Pressurizador Torre de transmissão Vapor Barras de controle Turbina Gerador elétrico Condensador Bomba Gerador de vapor Elemento combustível Água Bomba principal de refrigeração do reator Bomba Bomba Circuito primário Circuito secundário Sistema de água de refrigeranração Tanque de água de alimentação Figura 9 - Processo interno do reator nuclear Fonte: SENAI DR BA, 2018. A partir da energia gerada pelo reator temos a instalação industrial da usina nuclear para produção de eletricidade. Podemos destacar como vantagens da geração de energia nuclear: a) Não contribui para o efeito estufa; b) Não polui o ar com gases de enxofre, nitrogênio, particulados, etc.; c) Não utiliza grandes áreas (uma central não requer um grande espaço para sua instalação); d) Grande disponibilidade de combustível; e) É a fonte mais concentrada de geração de energia; f) Não necessita de armazenamento da energia produzida em baterias; g) Não depende da sazonalidade climática (chuvas e ventos). E como desvantagens desse tipo de geração: a) Grande risco de acidente na central nuclear; b) Necessidade de armazenar o resíduo nuclear em locais isolados e protegidos (+30a); c) É a mais cara comparada às demais fontes de energia; d) Os resíduos produzidos emitem radioatividade durante muitos anos; e) Necessidade de isolar/lacrar a central após seu encerramento; 30 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) f) Dificuldades no armazenamento dos resíduos (questões de segurança e localização). CURIOSIDADES Você sabia que a matéria-prima da energia nuclear, que é composta pelo urânio-235, é a fonte mais concentrada na geração de energia, visto que um pequeno pedaço pode promover a geração de energia capaz de abastecer uma cidade inteira? Portanto, a utilização de 84 mil toneladas de combustível é equivalente a apenas 15% da energia primária produzida pelo urânio-235 A energia nuclear é muito eficiente, visto que 1g de urânio é capaz de gerar uma quantidade grande de energia elétrica. Para se gerar energia elétrica, através da energia nuclear, é necessário se ter a quebra, ou seja, a divisão, por exemplo, do átomo de Urânio-235, que é matéria-prima mineral, altamente radioativa. Para fundir os núcleos, necessita-se de pressões muito altas, por exemplo, as que ocorrem no interior do Sol, onde núcleos de hidrogênio se fundem em núcleos de hélio e estes se fundem em núcleos maiores, chegando até o carbono. Dessa forma, o Sol se mantém aceso, banhando a Terra com energia luminosa. A energia nuclear é, então, essencial para a existência da vida na Terra, e, em última análise, fonte primária de quase todas as outras formas de energia que conhecemos. Ela é responsável pelo atendimento de 18% das necessidades mundiais de eletricidade. 2.2.6 MAREMOTRIZ - ENERGIA DOS MARES Energia maremotriz, ou energia das marés, é o modo de geração de energia por meio do movimento das marés. Dois tipos de energia maremotriz podem ser obtidos: a) Energia cinética: das correntes devido às marés; b) Energia potencial: pela diferença de altura entre as marés alta e baixa. Na figura seguinte, pode ser visto como as ondas do mar impulsionam as hélices do sistema de geração denominado de maremotriz. Figura 10 - Geração pelas ondas do mar Fonte: SENAI DR BA, 2018. Podemos enumerar as vantagens e desvantagens da energia maremotriz: 2 Geração de Energia – Características e Diagramas 31 a) Vantagens: -- É uma fonte de energia renovável e alternativa; -- É uma fonte de energia não poluente; -- Há grande volume de água do mar para geração de energia. b) Desvantagens: -- Os custos de instalação são bastante elevados; -- Necessidade de ter uma situação geográfica favorável, ou seja, presença de marés no litoral; -- Para a instalação, deve haver um desnível entre marés bastante elevado (cerca de 5,5 m); -- Pode ocorrer impacto ambiental na implantação do sistema, principalmente com relação ao ecossistema marinho; -- Necessidade de instalações reforçadas para suportar tempestades e deteriorações; -- Baixo rendimento, pois seu funcionamento não é contínuo. As fontes de energia alternativas são a forma mais limpa de se gerar energia elétrica, utilizando os recursos disponibilizados na natureza e sem poluir o meio ambiente. A diversificação na produção da energia elétrica é de grande importância para a ampliação da geração, já que as fontes convencionais, como hidráulica, térmica e nuclear, são esgotáveis, ao passo de que as usinas solar, eólica e maremotriz são inesgotáveis. 32 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) RECAPITULANDO Vimos nesse capítulo que a Geração de Energia é de suma importância para que se tenha energia elétrica, melhorando a qualidade de vida de todos nós, com a utilização de várias formas ou fontes, sendo estas tradicionais como a hidráulica e térmica, ou as alternativas – chamadas de fontes limpas – como solar e eólica. A energia elétrica é produzida em centrais elétricas, que utilizam diversas fontes primárias de energia – centrais hidroelétricas e termoelétricas. Esta energia, após ser produzida, é transportada e distribuída para os Centros de Consumo – local onde se localizam os consumidores residenciais, comerciais, industriais, rurais, iluminação pública, etc. A finalidade dos vários tipos de produção de energia existentes, conforme foi visto neste capítulo, é a diversificação da geração, para que se possa sempre ter eletricidade, a fim de atender à demanda cada vez mais crescente. Dentre os tipos de geração, compreendemos que a solar é aquela cuja matéria-prima é o sol; a eólica é impulsionada pelos ventos; a maremotriz é movida pelas ondas do mar; e a nuclear é gerada a partir da fissão nuclear do Urânio-235. As fontes convencionais são a energia hidráulica, que tem como matéria-prima a água, e a térmica, que utiliza o gás natural, o óleo diesel e a biomassa (que são galhos e folhas mortas de árvores), que são transformados em gás e pressurizados, a fim de acionar as turbinas para a geração da energia elétrica. 2 Geração de Energia – Características e Diagramas 33 Subestações de energia 3 A continuidade da distribuição de energia elétrica é essencial para o dia a dia de qualquer consumidor. Com base nisso, são realizadas manutenções preditivas, preventivas e corretivas nos equipamentos elétricos em subestações e redes de distribuição, bem como, estudos de proteção e aumento de carga com o objetivo de evitar e corrigir qualquer tipo de falha que possa vir a ocorrer nos sistemas de transmissão e distribuição. FIQUE ALERTA Cuidados devem ser tomados na operação e manutenção de uma subestação de energia, visto que há riscos de acidentes com pessoas e equipamentos. Por isso, antes da realização de qualquer atividade é necessária a realização da Avaliação Preliminar de Risco a fim de que sejam mitigados os possíveis riscos de acidentes (APR). Todos os equipamentos elétricos possuem uma função específica com o objetivo de dar continuidade na transmissão e distribuição de energia elétrica. Essas funções serão estudadas no decorrer deste capítulo. Figura 11 - Subestação de energia Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. 36 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Conforme pode ser visto na figura anterior, uma subestação (SE) é formada por um conjunto de equipamentos de manobra e/ou transformação e ainda, eventualmente, por um conjunto de compensação de reativos usados para dirigir o fluxo de energia em um sistema de potência e possibilitar a sua diversificação através de rotas alternativas. Ela possui dispositivos de proteção capazes de detectar os diferentes tipos de defeitos (faltas) que ocorrem no sistema e de isolar os trechos onde estas faltas ocorrem. 3.1 Características Gerais das Subestações As subestações de energia elétrica são de grande importância no Sistema Elétrico de Potência (SEP), pois funcionam como ponto de controle e transferência, exercendo as seguintes funções: Como são pontos de operação do SEP, as subestações devem possuir ações de comandos coordenadas a partir de programas e filosofias de operação, que nada mais são do que as formas simples e eficientes de operar um sistema elétrico, em conformidade com informações coletadas a partir de sistemas de medição e proteção. Nas subestações, existem também equipamentos como transformadores de força e linhas de transmissão, transmissão de dados e controle, que compõem um sistema elétrico de potência, conforme pode ser visto na figura seguinte: A Geração Transformador B Transmissão Usina hidroelétrica Subestação transmissora Subestação distribuidora C Dispositivos E Consumidores comerciais e industriais de automação da distribuição D Distribuição F Consumidores residenciais Figura 12 - Sistema Elétrico de Potência Fonte: SENAI DR BA, 2018. 3 SUBESTAÇÕES DE ENERGIA 37 Um SEP reúne os seguintes equipamentos e dispositivos de proteção e medição: a) Sistema: é utilizado para designar todo o circuito elétrico, geradores, cargas e motores de acionamento dos geradores; b) Carga: é utilizada para indicar: -- Um dispositivo ou um conjunto de dispositivos que consomem energia elétrica; -- A potência absorvida de um determinado circuito de alimentação; -- A potência ou a corrente que está passando por uma máquina ou linha. c) Barramento: é a conexão elétrica, de impedância nula, o que significa que ela não contribui para o cálculo dos valores dos curtos-circuitos da subestação, porque seu valor é desprezível. Essa conexão interliga vários dispositivos como cargas, linhas, etc. O barramento tem a forma de barras de cobre ou alumínio. 3.2 Tipos de Subestações As subestações podem ser classificadas quanto a sua função e a sua instalação, sendo: a) Transformadoras elevadoras (que são próximas aos centros de geração); b) Abaixadoras (próximas aos centros de carga); c) Aéreas; d) Abrigadas. Transformadoras elevadoras Abaixadora Aérea Abrigada Quadro 1 - Tipos de subestações Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. 38 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Os vários tipos de subestações existentes têm aplicações específicas, considerando seus equipamentos de manobra e/ou transformação, bem como sua construção, ou seja, se é aérea ou abrigada, ou ainda, aquela utilizada na rede de distribuição. 3.2.1 Diagrama Unifilar Os esquemas ou diagramas estão classificados como: unifilares e multifilares. Os unifilares são eficientes pela sua simplicidade e são utilizados em grande escala nas operações elétricas. Já os multifilares contemplam todas as fases e são muito utilizados pelas equipes de Manutenção e Comissionamento. Nesse material, estudaremos de forma específica os diagramas unifilares. Para que um sistema opere, é necessário que haja três fases, A, B e C. Estas são representadas por diagramas trifilares ou multifilares. Porém, a visualização do sistema é facilitada, quando se tem apenas uma das fases no diagrama, que é chamado de unifilar. CURIOSIDADES O diagrama unifilar representa, através de uma fase, todos os equipamentos pertencentes a uma subestação, a fim de que seja identificada a posição de cada um deles, quanto ao seu funcionamento eficiente. 02B1 42T1 01H1 51H1 02T1 C 91H1 71T1 01B2 41H1 71Y1 D 92T1 72V1 02V1 92V1 82V1 02E1 7,5/9,375 MVA 91T1 8182 11T1 12V1 D 01Y1 X5 (Motores de 1000 HP) D 11Y1 91Y1 D 11B2 02T2 42T2 92T2 82B1 7,5/9,375 MVA 71T2 91T2 51H2 71F1 D 11T2 01F1 x10 (Motores de 500 CV) D 11F1 91F1 41H2 C 01H2 91H2 01B3 81B3 Figura 13 - Diagrama unifilar Fonte: SENAI DR BA, 2018. Os diagramas unifilares são esquemas em que cada 3 elementos é simbolizado por apenas 1 elemento, ou seja, é a representação do sistema elétrico por uma de suas fases de energia. Caso seja necessário representar um número diferente de 3, deve-se colocar ao lado do símbolo o número representativo entre parênteses. No quadro a seguir, é possível observar a simbologia utilizada na construção dos diagramas unifilares. 3 SUBESTAÇÕES DE ENERGIA DESCRIÇÃO SIMBOLOGIA Condutor, cabo aéreo Cabo subterrâneo Barramento Chegada Saída Chave de aterramento Chave seccionadora manopolar Chave seccionadora tripolar sem chispador Chave seccionadora tripolar com chispador Chave fusível Chave fusível Fusível extraível D C Chave a óleo R Religador Disjuntor Disjuntor extraível Para-raios Regulador de tensão Reator Transformador de aterramento Trafo regulador Capacitor Transformador de força Transformador de potencial (PT) Transformador de corrente Transformador de corrente de bucha 39 40 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) TP com divisor capacitivo Ligação trifásica triangular Ligação trifásica em estrela Ligação trifásica estrela com neutro aterrado Ligação trifásica estrela com neutro aterrado através de resistor Ligação trifásica estrela com neutro aterrado de reator Quadro 2 - Simbologia utilizada em um diagrama de subestação Fonte: SENAI DR BA, 2018. 3.2.2 IDENTIFICAÇÃO E Codificação de uma Subestação A codificação de uma subestação é essencial para a identificação de cada um de seus equipamentos, pois ela facilita a operação e a manutenção da mesma. Ela é realizada por equipamento dentro da subestação, a fim de que o operador, durante uma manobra, possa se referir a cada um dos equipamentos por um código, que é entendido por todos os envolvidos na operação e manutenção da subestação. Definiremos agora a codificação do conjunto de caracteres alfanuméricos que individualiza cada equipamento, cada dispositivo elétrico dentro de uma S/E. Cada código é composto de até SETE caracteres ou dígitos. a) Funções de cada dígito -- 1º Dígito: define o tipo de equipamento; -- 2º Dígito: define o nível de tensão de operação; -- 3º Dígito: define a função e/ou posição do equipamento; -- 4º Dígito: define a posição ou número de ordem; -- 5º Dígito: define a separação dos caracteres; -- 6º Dígito: define a sequência e/ou função do equipamento; -- 7º Dígito: define a sequência do equipamento. 3 SUBESTAÇÕES DE ENERGIA b) Características específicas do 3º e 4º dígito -- Definem uma função própria ou associada do equipamento, linha ou barramento; -- Lista dos equipamentos relacionando-os com os seus 19 dígitos; -- A faixa definida para o 3° e 4° dígito é de 0 a 9. c) Equipamentos definidos pelo 1º dígito -- Gerador; -- Transformador de força e aterramento; -- Barramento; -- Reator; -- Capacitores síncronos e estáticos; -- Regulador de tensão; -- Linhas de transmissão e de distribuição (0) -- Disjuntor (1); -- Religador (2) -- Chave seccionadora seca (3); -- Chave fusível (4); -- Chave a óleo (5); -- Chave Seccionadora de aterramento rápido (6); -- TC (7); -- TP (8); -- Para-raios (9). d) Níveis de tensão definidos para o 2º dígito -- 01 a 25 KV 1; -- 26 a 50 KV 9; -- 51 a 75 KV 2; -- 76 a 150 KV 3; -- 151 a 250 KV 4; -- 251 a 550 KV 5; -- 551 a 750 KV 6; -- 751 a 1200 KV 7; -- Acima de 1200 KV 8. e) Características do 3° dígito 41 42 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) O 3º dígito, normalmente uma letra, caracteriza em alguns casos o tipo de equipamento a que se refere. Vejamos então alguns equipamentos com suas letras características: -- Gerador .......................................................... G -- Transformador de Aterramento .......... A -- Barramento ................................................. B -- Equipamento de Transferência .......... D -- Reator ........................................................... E -- Banco capacitor ......................................... H -- Compensador síncrono .......................... K -- Compensador estático ............................ Q -- Regulador de tensão ............................... R -- Transformador de força .......................... T -- Transformador de potencial ................... TP -- Linhas de Transmissão e Distribuição...... F; J; L; N; P; V; X; Y; W; Z. De modo geral, os dígitos possuem as seguintes características: a) Definem a sequência e/ou função do equipamento; b) Para o 3º dígito, que é operacional, pode ser utilizado letra ou número; c) O 5º dígito é utilizado quando os 4 primeiros dígitos coincidirem; d) As chaves e bancos de capacitores com números superiores a 9 numa subestação deverão ser identificadas no 6º dígito; e) Se existirem dois equipamentos similares na mesma tensão de operação conectados a um terceiro, serão identificados através do 6º dígito; f) O 5º dígito é um traço utilizado quando o código tem mais de 4 dígitos; g) O 6º dígito identifica a extensão do equipamento a ser utilizado, ou seja, se o mesmo está do lado fonte ou carga do circuito. A relação alfanumérica do 6º caractere é a seguinte: a) Seccionadoras de barramento: 1, 2, 3; b) Seccionadora de disjuntor, regulador, religador do barramento: 4; c) Seccionadora de disjuntor, religador ou regulador do lado contrário do barramento: 5; d) Chave by-pass: 6; 3 SUBESTAÇÕES DE ENERGIA 43 e) Chave de aterramento: 7; f) Chave seccionadora de transferência: 1,2,3,4,5; g) Chave seccionadora de gerador: 1, 2; h) Chave seccionadora para outras funções: 8, 9; i) Banco capacitor: 1 a 9; j) Equipamentos da mesma classe de tensão ligados a um terceiro: A, B, C, D, E. Exemplo de aplicação do 6° caractere: codificar o primeiro transformador de força de uma subestação que opera nas tensões de 69/13,8 kV. 02T1 Veja a explicação para a codificação apresentada: O 1º dígito se refere ao equipamento: 0; O 2º dígito, à tensão primária de 69 kV: 2; O 3º dígito identifica que é transformador de força: T; O 4º dígito mostra que é o primeiro transformador da subestação: 1. 3.3 Equipamentos de uma Subestação Uma subestação de energia, seja ela elevadora ou abaixadora de tensão, possui vários equipamentos que permitem a sua adequada operação a fim de levar energia elétrica aos diversos tipos de consumidores, sejam eles industriais, comerciais ou residenciais. 3.3.1 Equipamentos de Manobra Os equipamentos de manobra são utilizados para retirar de operação um circuito defeituoso ou recolocá-lo em funcionamento, quando a devida manutenção for realizada. Eles podem ser disjuntores, chaves secionadoras e fusíveis. Disjuntores Os disjuntores são equipamentos de disjunção projetados para manobras e proteção de circuitos elétricos. Eles interrompem e/ou reestabelecem as correntes elétricas em determinado circuito, sendo utilizadas como equipamentos de manobra para alimentação dos circuitos de linhas de transmissão e distribuição, 44 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) subestações, transformadores, capacitores, dentre outros, conforme pode ser observado na figura seguinte: Figura 14 - Disjuntor Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. Objetivos do disjuntor Os objetivos de um disjuntor são: a) Interromper o mais rápido possível as correntes de defeito de um determinado circuito; b) Energizar os mesmos circuitos em condições normais ou magnetizantes; c) Religar as correntes em falta. Disjuntor X Relé O disjuntor é associado à reles de proteção, ou seja, sem relé o disjuntor é apenas um interruptor, servindo como uma chave de disjunção ou a óleo, que apenas interrompe o circuito manualmente, ou seja, pela ação do operador. Isso porque os relés é que são os responsáveis pela análise das variáveis de corrente, tensão, potência, etc. do circuito, através dos sensores previamente ajustados, que podem enviar ordem de comando para os disjuntores quando surgirem valores não previstos nas variáveis monitoradas. 3 SUBESTAÇÕES DE ENERGIA CURIOSIDADES 45 A continuidade de um sistema de energia elétrica é essencial para o dia a dia de qualquer consumidor. Com base nisso, são realizadas manutenções preventivas e corretivas nos equipamentos elétricos em subestações e redes de distribuição, bem como, são realizados estudos de proteção e aumento de carga com o objetivo de evitar e corrigir qualquer tipo de falha que possa vir a ocorrer no sistema de distribuição. 3.3.2 TRANSFORMADORES DE FORÇA Os transformadores de força são equipamentos com operação estática que por meio de indução eletromagnética1 transfere energia de um circuito, chamado primário, para um ou mais circuitos denominados, respectivamente, secundário e terciário. Nesse processo, a mesma frequência é mantida, porém com tensões e correntes diferentes, conforme figura seguinte. Figura 15 - Transformadores de força Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. 3.3.3 TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS Os transformadores de instrumentos têm a finalidade de reduzir os valores de correntes e tensões primárias, do lado de alta tensão do transformador de força, em outros de valores secundários, do lado de baixa tensão do mesmo transformador. Isso ocorre com o objetivo de alimentar relés de proteção, amperímetros, voltímetros e medidores de energia como wattímetros. Os transformadores de instrumentos se dividem em transformadores de corrente e de potencial. Vejamos a explicação sobre eles. 1 Indução eletromagnética: se manifesta quando um campo magnético variável penetra em um fio condutor e desarruma a sua estrutura atômica, forçando, em consequência, a saída de elétrons do átomo, o que produz uma tensão induzida neste condutor. 46 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Transformador de Corrente Um transformador de corrente ou simplesmente TC é um dispositivo que reproduz no seu circuito secundário a corrente que circula em um enrolamento primário. Essa corrente é mantida em um valor compatível com a capacidade de condução de corrente determinada pelo fabricante do transformador de corrente. Ela também é adequada para o enrolamento secundário, conforme figura seguinte. Figura 16 - Transformador de corrente Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. TRANSFORMADOR DE POTENCIAL Os transformadores de potencial são equipamentos utilizados para transformar altas tensões (kV) em baixos valores mensuráveis (Volts). Figura 17 - Transformador de potencial Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. 3 SUBESTAÇÕES DE ENERGIA 47 3.3.4 CAPACITORES SHUNT O capacitor é um equipamento utilizado para fornecer potência reativa capacitiva em sistemas elétricos como subestações, plantas industriais, quadros de distribuição, etc. As principais funcionalidades do capacitor são: a) Corrigir o fator de potência do sistema elétrico; b) Elevar a tensão do sistema elétrico ao qual está conectado. Figura 18 - Capacitores Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. Um capacitor é usado para regularizar o excesso ou a falta de potência reativa no sistema elétrico a fim de que o mesmo possa operar dentro das condições normais de tensão elétrica. 3.3.5 CHAVES SECCIONADORAS PRIMÁRIAS Para compreender o que são chaves seccionadoras primárias, vejamos de forma isolada os seguintes conceitos: a) Chave: é o mecânico de manobra que, na posição aberta, assegura uma distância de isolamento e, na posição fechada, mantém a continuidade do circuito elétrico nas condições especificadas; b) Seccionador: dispositivo capaz de conduzir correntes sob condições normais do circuito e durante um tempo especificado, correntes anormais, tais como Corrente Contínua (C.C.). Chaves seccionadoras têm a função de separar os circuitos, quando o disjuntor está aberto. Elas proporcionam uma segurança às pessoas e aos circuitos. 48 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Figura 19 - Chaves seccionadoras Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. Existem diversos tipos de chaves seccionadoras, pois elas são construídas levando em conta a finalidade e a tensão do circuito. 3.3.6 SECCIONADORES FUSÍVEIS O seccionador fusível, ou chave fusível, é um dispositivo de segurança de um circuito elétrico, que tem a função de interromper a passagem de corrente elétrica no circuito, quando a mesma ultrapassar o limite permitido por cada fusível, evitando assim um curto-circuito. São utilizados na proteção de transformadores de força, acoplados, em geral, a um seccionador interruptor. A principal característica desses dispositivos de proteção é a sua capacidade de limitar a corrente de curto-circuito devido aos tempos extremamente reduzidos em que atuam. Os seccionadores fusíveis possuem uma elevada capacidade de ruptura, tornando-os adequados para aplicação em sistemas onde o nível de curto-circuito é de valor muito elevado, conforme mostrado na imagem seguinte de um seccionador fusível de proteção de capacitores em 22 KV. Figura 20 - Seccionadores fusíveis Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. 3 SUBESTAÇÕES DE ENERGIA 49 3.3.7 REATORES Reatores são ligados entre fases, entre fase e neutro ou, ainda, entre fase e terra, em um sistema de potência, normalmente para compensação da corrente capacitiva do sistema. Figura 21 - Reator derivação – 230 kV – 10 MVA Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. Os reatores são utilizados para dar suporte de reativo ao sistema de potência, ou seja, eles absorvem todo o excesso de potência reativa existente, que contribui para a elevação da tensão do sistema. 3.3.8 MALHAS DE ATERRAMENTO Nas subestações, existem dois objetivos para a existência da malha de aterramento. O objetivo principal do aterramento é a segurança e o segundo é a real proteção contra descargas atmosféricas, redução de corrente de curtos-circuitos em sistemas. A malha de terra fica enterrada no chão e é composta de hastes de cobre ou de outro material metálico protegido contra corrosão. Geralmente são realizados os seguintes tipos de aterramento: a) Aterramento de equipamentos (parte metálica de máquinas, painéis, etc.); b) Aterramento estático (descarga eletrostática); c) Aterramento de sistemas elétricos (neutro de máquinas, transformadores); d) Aterramento para manutenção; e) Aterramento para equipamentos eletrônicos e computadores; f) Aterramento para proteção contra descargas atmosféricas. 50 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) As seções mínimas de condutores de aterramento enterrados no solo são especificadas através da norma ABNT NBR 5410. Protegido contra corrosão Não protegido contra corrosão PROTEGIDO CONTRA DANOS MECÂNICOS NÃO PROTEGIDO CONTRA DANOS MECÂNICOS Cobre: 2.5 mm2 Aço: 10 mm2 Cobre: 16 mm2 Aço: 16 mm2 Cobre: 50 mm2 (solos ácidos ou alcalinos) Aço: 80 mm2 Quadro 3 - Condutores de aterramento Fonte: ABNT NBR 5410, 2004, 2008. A seguir, veja na imagem um exemplo de malha de aterramento com hastes em paralelo. Figura 22 - Malha de aterramento Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. Normalmente, as hastes são alinhadas em paralelo, padronizadas com um comprimento de 2,4 metros, diâmetro de meia polegada (1/2”) e são separadas em 3,0 metros uma da outra. 3 SUBESTAÇÕES DE ENERGIA 51 3.3.9 ISOLADORES – METAIS ISOLANTES Os isoladores são utilizados para evitar fugas de corrente, que podem evoluir em severos curtos-circuitos e danificar cabos, estruturas e conectores. Figura 23 - Isoladores Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. Os isoladores possuem as seguintes funções: a) Suportar os esforços produzidos pelos condutores; b) Isolar os condutores submetidos a uma diferença de potencial em relação à terra ou em relação a um outro condutor de fase; c) Manter a distância de isolamento entre duas estruturas com potenciais elétricos diferentes, impedindo uma circulação indesejável de corrente; d) Ter altos valores de resistência elétrica. 52 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) No quadro seguinte podem ser observadas as várias aplicações dos isoladores, que fazem parte das buchas dos equipamentos e dos passa-muros, que são colocados entre uma parede ou muro para isolar a tensão elétrica. Isolador de polimérico Isolador de vidro temperado Isoladores de porcelana Quadro 4 - Tipos de isoladores Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. No quadro a seguir, é possível observar os principais tipos de isoladores utilizados e suas aplicações: ISOLADOR NOME APLICAÇÃO De poliméricos De coluna Em geral, na média tensão, exceto em orlas marítimas De porcelana De pino Em geral, na alta tensão De vidro temperado De pino Em geral, na alta tensão Quadro 5 - Aplicações dos isoladores Fonte: SENAI DR BA, 2018. Os isoladores fazem parte das buchas e passa-muros com a finalidade de isolar médias e altas tensões elétricas, compreendidas entre 1 e 36 kV, bem como, entre 44 e 765 kV, respectivamente. 3 SUBESTAÇÕES DE ENERGIA 53 3.3.10 Cabos Isolados Os cabos isolados são utilizados, principalmente, em redes de distribuição de energia elétrica. Figura 24 - Cabos condutores com material isolante Fonte: SENAI DR BA; SHUTTERSTOCK, 2018. Os cabos ou condutores isolantes são utilizados no sistema elétrico para a segurança das pessoas e equipamentos adjacentes, que são aqueles localizados próximos uns dos outros. Os cabos evitam consequências danosas dos curtos-circuitos, provocados por falhas na rede de distribuição de energia. 3.3.11 CONECTORES Os conectores são os responsáveis por unir os cabos elétricos e dar continuidade ao fornecimento de energia. Os conectores são indispensáveis em um sistema elétrico de potência para interligar cabos ou condutores, a fim de dar continuidade ao circuito, como mostra a figura a seguir: Figura 25 - Conector para cabos de alta tensão Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. 54 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) 3.3.12 Barras Nuas As barras nuas ou barramentos nus fazem as interligações entre os bays, ou seja, cabos, conjunto de chaves seccionadoras ou fusíveis e disjuntor, das várias entradas e saídas de linhas de distribuição de energia. Como o próprio nome já diz, os barramentos nus não são isolados, ou seja, são constituídos por barra de alumínio ou cabos sem nenhum tipo de cobertura de proteção. Os barramentos nus são utilizados em subestações aéreas, abaixadoras ou elevadoras de tensão. Eles são necessários para compor todas as interligações dos equipamentos necessários à operação da subestação, conforme figura a seguir. Figura 26 - Barramento Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. Os barramentos nus são de grande importância para as subestações de energia porque possibilitam a integração de alguns equipamentos, como chaves seccionadoras, disjuntores, para-raios e isoladores, ao restante dos componentes da subestação. Eles também são utilizados nas saídas dos alimentadores de média tensão das subestações. CASOS E RELATOS Malha de aterramento Uma descarga atmosférica caiu numa subestação, provocando sobretensão elevada. Esta causou a queima do sistema de corrente contínua, que alimenta os relés de proteção, o retificador (que transforma corrente alternada em contínua) e o banco de baterias que mantém a tensão em 125 VCC. Uma equipe multidisciplinar de engenheiros foi formada para investigar as causas destas queimas, que permitiram que o curto-circuito ficasse circulando por muito tempo, derretendo barramentos, 3 SUBESTAÇÕES DE ENERGIA 55 cabos e causando incêndio na subestação. Nenhuma proteção operou porque os relés ficaram inativos pela falta do sistema de corrente contínua. Após análise da equipe multidisciplinar, juntamente com o técnico em Eletromecânica Madson, verificou-se a descontinuidade da ligação das massas dos equipamentos à malha de terra da subestação. Isto ocorreu porque houve furto dos cabos de cobre que interligam as carcaças dos equipamentos (transformadores, disjuntores, bancos de capacitores, etc.) à malha de aterramento enterrada no solo. Com isto, a corrente proveniente da descarga atmosférica não foi escoada devidamente, elevando o potencial da subestação. Após a constatação deste fato, o técnico Madson fez a recomposição dos cabos de cobre a fim de corrigir o problema para que a subestação pudesse ser energizada. 3.3.13 Para-raios e Descarregadores de Chifre ou Centelhadores As redes elétricas estão sujeitas a várias formas de fenômenos transitórios, envolvendo variações súbitas de tensão e corrente provocadas por descargas atmosféricas, faltas no sistema ou operação de disjuntores ou seccionadores. Os dispositivos de proteção que podem ser observados nas figuras seguintes devem possuir as seguintes características fundamentais: a) Sua operação não deve intervir no comportamento do sistema e não deve produzir esforços anormais aos equipamentos; b) O nível de proteção deve ser independente das condições ambientais; c) O dispositivo deve manter a sua característica, após a ocorrência da sobretensão; d) O dispositivo deve apresentar tempo de vida útil compatível com os demais equipamentos do sistema; e) O preço do equipamento deve ser economicamente viável. Para-raios Descarregadores de chifre ou centelhadores Figura 27 - Para-raios e descarregadores de chifre Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. 56 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Os centelhadores, também chamados de descarregadores de chifre, são utilizados para interromper pequenas correntes. São de cobre e geralmente possuem a área de contato em material de tungstênio. Os para-raios e descarregadores de chifre ou centelhadores têm funções distintas dentro de uma subestação de energia. Os para-raios protegem a subestação contra descargas atmosféricas. Os descarregadores de chifre e centelhadores protegem contra surtos de tensão provocados por manobras na subestação. 3.4 Sistemas de Proteção – relé de sobrecorrente, relés de sub e sobre tensão, relés de gás ou Buchholz, relés de temperatura, relé diferencial, válvula de alívio de pressão Um sistema de proteção é composto por disjuntor, chaves seccionadoras, TC, TP e relé de proteção. Disjuntor Sensor de Corrente (TC) R1 Relé de proteção Sensor de Tensão (TP) Figura 28 - Sistema de proteção Fonte: SENAI DR BA, 2018. Iremos estudar mais detalhadamente o sistema de proteção, analisando as proteções internas e externas dos transformadores de força. 3.4.1 Proteções Internas dos Transformadores de Força Os transformadores de força, com potência superior a 5 MVA contam com suas proteções internas para atuarem desligando seus disjuntores de proteção. As proteções internas dos transformadores de força estão localizadas nos lados de alta e de baixa tensão do transformador de força. Elas são acionadas quando ocorre algum defeito interno no transformador de força. Veja quais são essas proteções: 3 SUBESTAÇÕES DE ENERGIA 57 a) Relé de gás, de pressão ou buchhoLz (N. ASA 63): envia sinal de abertura para o disjuntor retirar de operação o transformador de força, cujo óleo está com bolhas de gás fazendo-o se movimentar rapidamente; b) Relés térmicos: quando a temperatura do enrolamento é N. ASA 49 e N. ASA 26, os relés térmicos enviam sinal de abertura para o disjuntor retirar de operação o transformador de força, cuja temperatura dos enrolamentos está maior do que a recomendada pelo fabricante. Isso ocorre devido a existência de curto-circuito interno entre as espiras dos enrolamentos primário ou secundário, que eleva a temperatura do transformador de força, como um todo. c) Válvula de alívio de pressão: envia sinal de abertura para o transformador de força, caso haja falha do relé de gás. 3.4.2 Proteções externas dos transformadores de força O monitoramento constante das medidas elétricas do sistema elétrico de potência ocorre através dos transformadores de corrente e transformadores de potencial. As tensões e correntes transformadas em valores compatíveis alimentam os relés de proteção que possuem sistemas de decisões lógicas configuráveis. Esses sistemas atuam sobre equipamentos chaveadores, como disjuntor e religador, sempre que o valor medido não corresponder com o valor ajustado no relé de proteção. Veja quais são as proteções externas dos transformadores de força: a) Elos fusíveis; b) Relés de sobrecorrente de fase e neutro (Nº ASA 50/51); c) Relés diferenciais (N. ASA 87); d) Para-raios. Os relés microprocessados são dispositivos que revolucionaram os esquemas de proteção, oferecendo vantagens impossíveis de serem obtidas pelos relés eletromecânicos e estáticos, que eram utilizados antes dos relés microprocessados. Eles disponibilizam um pacote integrado de proteção, medição, monitoramento, controle e acesso remoto. Os relés de proteção e regulação possuem algumas funções mais utilizadas de acordo com os códigos ANSI2 a seguir: a) 50/50N Sobrecorrente instantâneo; b) 51/51N Sobrecorrente temporizado; c) 59 Sobretensão ( V> 110%); 2 ANSI: é a sigla para a norma americana American National Standards Institute, que em português significa Instituto Nacional Americano de Padrões. 58 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) d) 27 Subtensão (V< 90%); e) 87 Diferencial; f) 67 Diferencial (67-I/T, 67N-I/T); g) 21/21N Distância; h) 81 Subfrequência; i) 79 Religamento; j) 59N/3Vo Sobretensão de sequência zero; k) DF/dt ERAC Sobrecorrente temporizado l) 62BF Falha de disjuntor; Os relés microprocessados também possuem os bloqueios instalados para proteção dos transformadores que são interligados aos seus intrínsecos. Os códigos são muito importantes e definem cada uma das funções dos relés. Eles facilitam o entendimento das funções dos relés e tornam os projetos mais claros e com boa visibilidade. Veja um exemplo de código: 86T-1 e 86T-2. 3 SUBESTAÇÕES DE ENERGIA 59 RECAPITULANDO Vimos nesse capítulo que os transformadores são equipamentos de extrema importância nos sistemas de conversão e distribuição de energia elétrica, que estão presentes na geração de energia, pois eles elevam a tensão para níveis adequados à transmissão a longas distâncias, até a distribuição. Essa atuação dos transformadores reduz a tensão para níveis de consumo residencial, o que os torna os equipamentos mais importantes do sistema elétrico de potência. Todos os equipamentos que fazem parte de uma subestação de força têm a sua importância para fornecer energia às cargas dos consumidores industriais, comerciais e residenciais. Portanto, é de extrema importância conhecer o funcionamento e operação de cada um destes equipamentos, que fazem parte de uma subestação de energia. Smart grid – conceituação e características 4 Devido ao avanço da tecnologia digital nos sistemas de fornecimento de energia elétrica, começa a surgir o que podemos chamar de 4º geração desses sistemas, ou seja, as chamadas smart grids, que são caracterizadas pelo uso intensivo de tecnologias de informação e comunicação nos sistemas elétricos. Por ter se desenvolvido com pouca tecnologia, todo o sistema energético encontra-se em um momento crítico, pelo simples fato de não possuir organização e estrutura, e é devido a isso que a aplicação de redes inteligentes vem se tornando cada vez mais importante para buscar a otimização, controle e eficiência das redes. Smart grid ou rede inteligente é um novo conceito de automação da rede de distribuição, ou seja, propicia a recomposição automática das cargas afetadas pelo desligamento do circuito que as alimenta. Através de ajustes adequados para os relés digitais, pode-se ter o desligamento automático dos circuitos defeituosos, bem como a sua recomposição, também automática. Diante desse contexto, é importante conhecermos também o conceito do self-healing (autorrecuperação) do sistema de distribuição de energia elétrica, a fim de demonstrar que a utilização deste irá torná-lo mais seguro, trazendo enormes benefícios para os seus consumidores, na medida em que, estes serão cada vez menos afetados com as possíveis faltas permanentes que acometem o sistema. Nesse sentido, foram muito importantes às experiências já implementadas em países como os EUA e o Canadá, demonstrando que, em pequena escala, esse sistema representa um enorme avanço, uma vez que o mesmo aumenta significativamente a qualidade da energia fornecida aos seus usuários. Está preparado para conhecer mais sobre a smart grid e o self-healing? Caminharemos pelas suas características, os sistemas e equipamentos de proteção e o processo de implementação dessas redes. 62 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) 4.1 Características Gerais do Smart Grid As mudanças de natureza tecnológica e estrutural nos sistemas de fornecimento de energia elétrica estão implementando um conceito revolucionário: o poder do consumidor em decidir o seu consumo e até mesmo ser responsável pelo fornecimento de energia para outros consumidores através da venda de sua própria geração para o sistema. Esse novo conceito está diretamente ligado à incorporação tecnológica de computação e comunicação ao controle de supervisão dos sistemas elétricos, ou seja, a incorporação das smart grids no sistema elétrico, tendo como a principal justificativa que a nossa sociedade é altamente dependente da continuidade e qualidade do suprimento de energia elétrica. A ruptura ou instabilidade nos sistemas de fornecimento tem consequências notáveis relacionadas às falhas, o desconforto causado ao consumidor e os prejuízos tanto para o fornecedor quanto para o cliente. Mas o principal, principalmente, nas indústrias causando perdas enormes na área de produção. É diante desse panorama que uma das características mais importantes das smart grids é a inserção do conceito de Self-Healing (autorrecuperação), como uma solução para o fluxo de energia elétrica. O conceito de autorrecuperação tem como principal função reduzir, ao máximo, a quantidade de clientes afetados por falhas na rede e até mesmo solucionando esse tipo de falha, sendo elas transitórias, sem a intervenção dos controladores de sistemas, que são técnicos do Centro de Operação da Distribuição (COD). Assim, evitando o deslocamento das turmas de manutenção aos locais onde ocorreram os defeitos na rede elétrica, conforme ilustração a seguir. Smart Grid Figura 29 - Campo de atuação de um Smart grid Fonte: SENAI DR BA, 2018. 4 Smart grid – conceituação e características 63 4.2 AUTOMAÇÃO DA PROTEÇÃO DAS REDES A rede de distribuição sofre a ação das condições climáticas como vento, chuva, poeira, salitre, não importando se ela foi bem projetada ou não. O fato desta rede ser aérea contribui muito para a ocorrência de defeitos provenientes de altas correntes de curto-circuito que podem danificar equipamentos se não forem eliminados em milissegundos. Por isso, é de extrema importância a utilização de um sistema de proteção que consiste em um conjunto de relés digitais, se comunicando entre si através de protocolos de comunicação pré-determinados sistema de proteção e que esse seja eficiente, ou seja, elimine os curtoscircuitos, as descargas atmosféricas, as quedas de condutores partidos e árvores que tocam as estruturas e cabos, no menor tempo possível, visto que os efeitos das altas correntes causam muitos danos aos circuitos elétricos. FIQUE ALERTA É de grande importância a realização da compra e instalação dos equipamentos e dispositivos de proteção que farão parte do smart grid a fim de evitar acidentes com pessoas e danos aos equipamentos adjacentes. Deve-se trabalhar em favor da segurança das pessoas e dos equipamentos adjacentes projetando um sistema de proteção que tenha a sua eficácia em eliminar os defeitos rapidamente. Logo, todos os trechos do circuito devem ser protegidos, através de equipamentos como os relés de proteção. 4.3 Automação da Distribuição das Redes - Equipamentos de Proteção No trabalho com elevadas correntes de energia é necessário atentar-se para a redução ou eliminação de danos e riscos a pessoas e equipamentos. Sendo assim, existem diversos equipamentos de proteção que atuam com essa finalidade. Veremos os seguintes: relés, chaves-fusíveis, disjuntores, religadores e seccionadores. 4.3.1 Relés Os relés são responsáveis pelo gerenciamento do circuito elétrico, tendo como principal função o monitoramento de valores de grandezas que já são pré-definidos, fazendo a comparação destes valores e assim comandando a abertura de equipamentos de disjunção ou outros equipamentos, utilizando de tais grandezas: elétricas, mecânicas, óticas, térmicas, etc. Equipamentos como disjuntores e religadores, responsáveis pelas interrupções das correntes de falta, estão sempre associados ao relé, que recebe sinais provenientes de transformadores de tensão e corrente, ficando responsável por detectar anormalidades no sistema e com isso forçando a abertura dos equipamentos de disjunção ou sinalizando a existência de algum distúrbio no sistema. 64 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Na figura seguinte é mostrada a conexão de um relé ao sistema de potência através de um transformador de potência e de corrente atuando em um disjuntor. Sistema de Proteção Transformador de corrente Disjuntor Carga R1 Transformador de potencial Relé de proteção Figura 30 - Conexão de um relé ao SEP Fonte: SENAI DR BA, 2018. Existem duas formas de operação dos relés: a) Instantânea: o relé envia um sinal de abertura para a bobina de operação do disjuntor com tempo da ordem de 0,15 milissegundos; b) Temporizada: o relé envia um sinal de abertura para a bobina de operação do disjuntor, de acordo com a curva de tempo programada. Portanto, a atuação do relé é temporizada e não instantânea. Na figura a seguir, podem ser observadas as curvas de tempo-corrente de atuação do relé. A coordenação entre os relés ocorre através das curvas de Tempo X Corrente. Essa coordenação é de tempo inverso, ou seja, quanto maior o valor do curto-circuito, menor o tempo de atuação do relé. Tempo (segundos) Tempo ajustado Tempo (segundos) Tempo definido Normalmente inverso Inverso Extremamente inverso Ajuste do relé Corrente de curto-circuito Ajuste do relé Figura 31 - Característica de tempo para funções de sobrecorrente do relé Fonte: SENAI DR BA, 2018. Corrente de curto-circuito 4 Smart grid – conceituação e características 65 4.3.2 Chaves fusíveis A chave fusível é um equipamento de proteção simples e barato. É formada por um porta-fusível e outras partes que têm por finalidade receber um elo-fusível. Normalmente, é utilizada como proteção de transformadores e de ramais do sistema de distribuição. Na figura seguinte, pode ser visualizada uma foto de uma chave fusível. Figura 32 - Chave-fusível Fonte: SENAI DR BA, 2018. As chaves fusíveis têm um papel importante na eliminação dos curtos-circuitos de uma rede de distribuição de energia, sendo utilizados para a proteção dos ramais ou derivações que fornecem energia aos consumidores residenciais, comerciais e industriais. 4.3.3 Disjuntores Os disjuntores são equipamentos de manobra e proteção usados para abrir ou fechar um circuito em quaisquer condições de operação. Eles recebem sinal de relés em suas bobinas de abertura para eliminar os defeitos e são projetados para suportar tanto as correntes de carga quanto as de curto-circuito, a depender da capacidade de interrupção dessas elevadas correntes. Os disjuntores também recebem sinal dos relés de religamento em suas bobinas de fechamento, a fim de recompor o sistema que foi desligado por alguma falha. Na figura seguinte, é ilustrado um sistema de proteção simplificado através de um diagrama trifilar, que representa as três fases, A, B e C, em que pode ser observado um transformador de corrente fornecendo sinal de corrente para um relé eletromecânico associado a um disjuntor. 66 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) BARRAS DA SUBESTAÇÃO A B C Bobina disparo Contato Fonte CC Transformador de potencial Direção Disjuntor atuação Transformador de corrente Relé Carga Figura 33 - Circuito de acionamento de um disjuntor Fonte: SENAI DR BA, 2018. Cabe ressaltar que, os disjuntores são equipamentos que separam circuitos com defeito, de outros em operação normal. Eles são importantes na eliminação dos defeitos ou falhas, que ocorrem num sistema elétrico e estão localizados no pátio das subestações de energia, retirando de operação os circuitos defeituosos e os colocando em operação quando são religados pela ação dos relés localizados na casa de comando. 4.3.4 Religadores Um religador é constituído por um mecanismo projetado para abrir e fechar circuitos em carga ou em curto-circuito. Os sensores utilizados são TCs, e microprocessadores dedicados desempenham o controle. Corrente R S1 Trecho protegido do elo-fusível S1 S2 ∆ Figura 34 - Aplicação de um religador na saída do alimentador de uma subestação Fonte: SENAI DR BA, 2018. 4 Smart grid – conceituação e características 67 Como os religadores realizam o ciclo de abertura e fechamento de seus contatos por até quatro operações, há possibilidade de que o defeito possa ser identificado como transitório ou permanente. Na figura seguinte é possível observar a sequência de operação de um religador. I (A) t I I1 t I1 t 2T Falta Bloqueio I Carga t (s) t R1 t R2 Figura 35 - Sequência de operação de um religador Fonte: SENAI DR BA, 2018. A grande vantagem do religador é a capacidade de testar o sistema em situações em que o distúrbio seja temporário. Como resultado, ocorrerão melhorias nos indicadores de continuidade, através de um não desligamento desnecessário do sistema. Em contrapartida, o custo de um religador é bem elevado, o que torna necessário um estudo econômico para a alocação do equipamento. 4.3.5 Seccionalizador São dispositivos programados para atuar juntamente com um religador ou disjuntor dotado da função de religamento. As chaves seccionalizadoras devem ser ligadas a jusante, ou seja, após o religador, porque trabalha em conjunto com o mesmo contando as operações do religador, como pode ser visto na figura seguinte. R Seccionalizador I S F S1 S2 ∆ Figura 36 - Chave seccionalizadora instalada à jusante de um religador Fonte: SENAI DR BA, 2018. S3 68 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) O funcionamento das chaves seccionalizadoras é em conjunto com o número de operações do religador que pode chegar a quatro. Estas chaves possuem uma operação a menos que o religador. Quando o número de operações deste atingir o valor programado na chave, ela terá seus contatos abertos, antes da definitiva saída do religador. Neste caso, somente o trecho defeituoso será eliminado da operação. CURIOSIDADES Tanto o Smart Grid (Rede Inteligente) quanto o Self-Healing (Auto Recuperação) estão ligados ao estudo de análise do fluxo de potência em cada trecho do alimentador, visando à determinação da capacidade de transferência de carga que um alimentador poderá suportar em caso de contingência. A continuidade de um sistema de energia elétrica é essencial para o dia a dia de qualquer consumidor. Com base nisso, são realizadas manutenções preventivas e corretivas nos equipamentos elétricos em subestações e redes de distribuição, bem como são realizados estudos de proteção e aumento de carga com o objetivo de evitar e corrigir qualquer tipo de falha que possa vir a ocorrer no sistema de distribuição, quando da implementação e utilização do smartgrid e do self-healing também. 4.4 SELF-HEALING Existem muitas definições para o conceito de Self-healing, mas pode-se definir como um novo termo que se refere à aplicação intensa de tecnologias de informação e comunicação nos sistemas elétricos. Considerando que um sistema elétrico é uma entidade composta por geração, transmissão e distribuição, as self-healing terão a função de conectar esses sistemas criando uma sintonia através da automação e coordenação dos mesmos que, no sistema elétrico convencional atual, essa conectividade passa por algumas dificuldades de comunicação por ser um sistema unidirecional. Na figura seguinte, pode ser observada uma comparação entre a arquitetura da rede elétrica unidirecional (sem o uso de sensoriamentos, tecnologias de comunicação, etc.) e a rede elétrica inteligente multidirecional. Um dos aspectos mais importante é o fluxo de energia e comunicação em duas vias. As redes deverão possibilitar o monitoramento do sistema elétrico para uma otimização dos recursos ou auxílio na prevenção e correção de eventuais falhas do mesmo. 4 Smart grid – conceituação e características 69 Antes do smart grid: Fluxo de energia unidirecional Linha de transmissão Usina Transformador Linha de distribuição Transformador de poste Depois do smart grid: Fluxo de energia bidirecional, maior interação entre as partes envolvidas Hospital (com geração de energia) Central de controle Usina Energia eólica Residências Fábrica Energia solar Armazenamento de energia Edifícios residenciais Edifícios inteligentes Smart house (com veículos elétricos) Figura 37 - Arquitetura da rede elétrica unidirecional x rede elétrica multidirecional Fonte: SENAI DR BA, 2018. As self-healing ou autorrecuperação proporcionarão uma interação entre a disponibilidade de fornecimento e a demanda, ou seja, com essa análise da rede, em tempo real, as empresas de fornecimento de energia elétrica trabalharão em parceria com os consumidores. SAIBA MAIS Quer aprofundar seus conhecimentos sobre a self-healing e sua aplicação em sistemas elétricos? Consulte o projeto intitulado: Aplicação de Self-Healing em Sistemas Elétricos. Esse projeto pode ser encontrado on-line no repositório digital da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 70 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Sendo assim, as self-healing vão produzir um sistema com mais fontes eficientes para atender a alta demanda, beneficiando assim os consumidores principalmente em critérios relacionados à qualidade de energia e custo. Com este procedimento teremos a autorrecuperação do sistema com a qualidade desejada e com a redução dos custos. 4.4.1 IMPLEMENTAÇÃO A implantação do conceito de self-healing exige que a rede seja adaptada para que o circuito passe a operar automaticamente através dos relés inteligentes e remotos de poste, que possibilitam a recomposição rápida do circuito defeituoso, reduzindo os tempos de retorno dos consumidores. O sistema de self-healing pode possuir dois tipos de arquitetura: a centralizada ou descentralizada. A arquitetura centralizada é caracterizada pelo centro de inteligência do sistema, está localizada em apenas uma localidade, o qual recebe todos os dados da rede e quando necessário envia os comandos para os equipamentos instalados em campo. A arquitetura descentralizada está relacionada com a descentralização da inteligência do sistema. A mesma deve estar presente em todos os equipamentos em campo, os quais são responsáveis por monitorar e controlar o sistema através das informações de estado e alarmes trocadas entre os equipamentos. Outro importante ponto da arquitetura do sistema é a possibilidade da interligação ou não do sistema de self-healing com o Sistema de Supervisão Controle e Aquisição de Dados (SCADA). O SCADA é responsável por supervisionar as variáveis e os dispositivos do sistema e ao mesmo tempo criar uma interface de alto nível para o operador. Além dessas características, o sistema supervisório tem como função o armazenamento de dados adquiridos do sistema, os quais podem ser utilizados para estudos específicos, como problemas ocorridos em equipamentos, erros operacionais e planejamento de expansão do sistema. 4.4.2 INSTALAÇÃO DA REDE Para a instalação de uma rede, a mais adequada em razão da robustez necessária desse sistema de comunicação é a rede ponto a ponto. Essa arquitetura traduz-se na descentralização das funções na rede, onde cada chave ou religador é um nó do sistema e são capazes de realizar tanto a função de servidor quanto de cliente. Além dessas peculiaridades, a rede ponto a ponto é responsável por aumentar a segurança do sistema, devido a sua capacidade de acesso às informações contidas em um equipamento defeituoso através de outro equipamento, criando assim, uma redundância no sistema. O meio físico da transmissão de dados normalmente é feito via rádio, fibra ótica ou PLC (Computador Lógico Programável). O tipo de tecnologia utilizada está relacionado com a necessidade e dificuldade encontrada por cada concessionária na sua rede, utilizando a melhor alternativa que se adapte ao sistema. As topologias com a comunicação através de fibra ótica e rádio podem ser vistas, respectivamente, nas figuras seguintes: 4 Smart grid – conceituação e características CGP estação central Linha discada/ celular 71 Subestação C Processador de comunicação Modem Relé digital Centro de operação da distribuição 1 Processador de comunicação Centro de operação da distribuição 2 Rede corporativa Comunicação (rádio, celular, fibra ótica) Subestação A Processador de comunicação Relé digital Processador de comunicação Comunicação Subestação B (rádio, celular, fibra ótica) Processador de comunicação Processador de comunicação Relé digital Relé digital Figura 38 - Topologia de comunicação com fibra ótica Fonte: SENAI DR BA, 2018. Na figura seguinte, podem ser observadas algumas particularidades, inerentes ao funcionamento de uma rede intranet de comunicação entre as subestações, os Centros de Operação da Distribuição e a Estação Central (CGP). Cabos Relé SEL - 2890 Protocolo de comunicação SEL - 2890 Protocolo de comunicação SEL - 2890 SEL - 2890 Rede de trabalho (intranet) Computador central Figura 39 - Topologia de comunicação com rádio interligado ao SCADA Fonte: SENAI DR BA, 2018. Para instalação do sistema de comunicação, umas das análises mais difíceis é a escolha do melhor meio de comunicação que atenda às suas necessidades e à realidade. A transferência de dados por fibra ótica, por exemplo, é normalmente utilizada quando o sistema requer uma maior confiabilidade ou em ocasiões onde as redes são de menores portes; enquanto a utilização de rádios dispõe de uma menor confiabilidade, e em alguns casos, a depender da topografia da região, é necessário o uso de mais equipamentos para ultrapassar certas barreiras, como as paredes e montanhas. Já a utilização da tecnologia PLC apresenta grandes desafios para as concessionárias que desejam utilizá-la, pois a mesma necessita de uma transmissão de dados limpa, ou seja, sem nenhuma distorção do sinal enviado, o que torna inviável, na maioria das vezes, a sua utilização. Este problema é decorrente da grande 72 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) quantidade de interferências na rede elétrica, como os harmônicos, que são correntes desenvolvidas nas frequências superiores à fundamental de 60 Hertz. Além da escolha do melhor meio de comunicação, observando a criação e o investimento necessário para uma rede rápida e segura, deve haver uma preocupação também com equipamentos capazes de isolar e identificar faltas no circuito. Pode-se implementar o sistema de recomposição automática através da instalação de religadores e chaves sob cargas automatizadas. Esses equipamentos irão apenas diferenciar na maneira em que eles isolam o trecho defeituoso. O religador é capaz de abrir seus contatos e isolar a falta no momento em que ocorre o curto-circuito à sua jusante, enquanto a chave deve operar após a atuação do religador à sua montante. Toda essa operação deve ser comandada por um microprocessador, sendo este responsável pela inteligência do sistema e se diferenciando quanto a instalação entre arquitetura centralizada e descentralizada. A primeira é necessária apenas à instalação de um microprocessador para controlar todo o sistema, enquanto o sistema descentralizado é necessário à instalação de um microprocessador para cada equipamento de manobra. Os locais das instalações dos equipamentos de manobras devem ser estudados para que possa ter um posicionamento estratégico. Este estudo tem a intenção de priorizar áreas, seja por cargas prioritárias ou apenas por uma grande quantidade de clientes na região, tendo sempre em vista a diminuição dos indicadores de qualidade caso ocorra uma falta no sistema. O fluxo de carga em cada trecho do alimentador também deve ser analisado, pois é através do mesmo que se determina a capacidade de transferência de carga que um determinado alimentador poderá suportar em caso de contingência. Problemas como a sobrecarga dos condutores e a ultrapassagem do limite da proteção do sistema podem ser evitados através dessa análise. Podemos compreender que a implementação do conceito de self-healing acarreta desafios de índole técnica e econômica. Para conseguir uma comunicação bidirecional entre equipamentos de corte e entre estes e o local onde está concentrada a inteligência computacional são necessárias redes de comunicação e a rede elétrica necessita ser dotada de automação para conseguir telecomandar estes equipamentos. É indispensável analisar a viabilidade da exploração da rede elétrica integrada com o funcionamento destes equipamentos e garantir a segurança da rede com a sua instalação. Acima de tudo, é fundamental avaliar a viabilidade econômica do projeto de investimento e se o mesmo traz benefícios satisfatórios. 4 Smart grid – conceituação e características 73 CASOS E RELATOS Implementação de um smart grid Algumas concessionárias de energia estão investindo intensamente na automação de sua rede de distribuição em razão da tecnologia disponível para a implementação do sistema de autorrecuperação. A busca por melhores desempenhos, bem como de maior satisfação de seus consumidores, fez com que empresas dos EUA e do Canadá, como, por exemplo, a National Grid, a Duke Energy e a EnMAx, implementassem alguns projetos pilotos em parte de suas redes. Tais projetos têm por objetivo o ganho de experiência na área do smart grid. Consequentemente, após a implementação com sucesso destes projetos, os mesmos poderão ser utilizados em maior escala e com maior eficiência, otimizando os resultados. Nesse sentido, estudos foram feitos para apontar as evoluções dos índices de qualidade do sistema com a intenção de quantificar a eficiência dos investimentos. A fim de viabilizar os projetos, as empresas citadas adquiriram chaves automáticas, controladas por relés, através de remotas de poste que se comunicam com o Centro de Operação da Distribuição (COD) para a operação de abertura, devido a defeitos na rede de distribuição ou fechamento, quando da recomposição do circuito. Os esquemas de implementação de um smart grid passam por um sistema de automação, composto por relés digitais inteligentes, que trabalham em conjunto com remotas, instaladas em postes da rede de distribuição. Com isto, todo o sistema operará de forma inteligente em que as chaves automáticas irão atuar para retirar os circuitos defeituosos, bem como, recolocá-los por outro ramal ou derivação, que origina de outra subestação. 74 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) RECAPITULANDO Vimos neste capítulo que as smarts grids revelam-se um caminho inevitável ao desenvolvimento do sistema elétrico. Portanto, smart grid é um conjunto de conceitos que estão diretamente ligados à utilização intensiva de tecnologia de informação e comunicação no sistema elétrico, promovendo o maior controle e otimização de toda a rede. A implementação de uma rede inteligente não consiste em mera atualização da rede atualmente existente, mas sim de uma verdadeira reformulação desta, analisando os equipamentos a serem utilizados e suas condições locais. Destacamos também o conceito de self-healing para o sistema de distribuição de energia elétrica, uma vez que é ele que irá aumentar a confiabilidade e, consequentemente, a qualidade de energia disponibilizada aos consumidores. Você, neste capítulo, deve ter percebido, também, que os conceitos de smarts grids e self-healing trarão um benefício de tamanha importância para os sistemas elétricos de potência e, consequentemente, acrescentarão ao desenvolvimento inteligente do país, mas fazem-se necessários investimentos por parte do governo para aprofundar os estudos e pesquisas na área de redes inteligentes e, principalmente, no sistema de autorrecuperação (self-healing) do sistema de fornecimento de energia elétrica. 4 Smart grid – conceituação e características 75 Distribuição de energia – características, ligações e funcionamento 5 Você sabe por que um Sistema Elétrico de Potência (SEP) é tão importante para a geração, transmissão e distribuição de energia? Há necessidade de o SEP ser bem constituído para que possa operar adequadamente? Vamos descobrir agora. O Sistema Elétrico de Potência (SEP) é constituído por subsistemas de Geração, Transmissão e Distribuição, que levam energia elétrica até os centros de carga através de uma grande área geográfica e pela distribuição da mesma aos consumidores. A finalidade de um Sistema de Potência é distribuir energia elétrica para diversas aplicações. Tal sistema deve ser projetado e operado para entregar esta energia obedecendo dois requisitos básicos: qualidade e economia, que apesar de serem contrários é possível fazer a conciliação dos mesmos utilizando conhecimentos técnicos e bom senso. Para isso, a garantia de fornecimento da energia elétrica pode ser aumentada se o projeto for melhorado, prevendo uma capacidade de reserva e planejando circuitos alternativos para o suprimento. Em um sistema elétrico procura-se alcançar seletividade e coordenação através da adequação entre os diferentes dispositivos de proteção. A coordenação da proteção, em um sistema de distribuição, vem sendo estudada há muito tempo e os últimos avanços tecnológicos nesta área tem se verificado, principalmente com a introdução de relés estáticos e digitais, garantindo assim um SEP bem mais confiável. Nas figuras seguintes, pode ser observado um BAY de saída de um alimentador, que contém um equipamento de disjunção (disjuntor), chaves seccionadoras, transformadores de instrumentos (Transformador de Corrente (TC) e Transformador de Potencial (TP)) e relé de proteção. 78 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) A B C Disjuntor S2 A B C N Alimentador Figura 40 - Bay de saída de um alimentador Fonte: SENAI DR BA, 2018. Um BAY de saída de um alimentador é composto dos equipamentos e dispositivos de proteção com a função de distribuir a energia que foi gerada e transmitida pelo sistema elétrico de potência. Figura 41 - Chaves seccionadoras Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. Os equipamentos e seus dispositivos de proteção são de extrema importância para a continuidade e confiabilidade da distribuição de energia elétrica aos consumidores finais. 5 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA – CARACTERÍSTICAS, LIGAÇÕES E FUNCIONAMENTO 79 5.1 Aplicação conforme Norma e Padrões da Concessionária Local O sistema de distribuição leva a energia até os consumidores presentes na região por ele coberta. Para tal, a concessionária local disponibiliza suas normas e padrões internos a serem seguidos, a fim de que haja aprovação do projeto realizado para construção de uma rede de distribuição de energia. Ao longo desta rede estão instalados transformadores de força, responsáveis por baixar a tensão de distribuição (15 kV) até a tensão esperada pelo cliente (geralmente 127/220 V para consumidores residenciais). Na figura seguinte, pode ser observado um Sistema Elétrico de Potência onde a energia elétrica é produzida até ser distribuída aos consumidores. A Geração Transformador B Transmissão Usina hidroelétrica Subestação transmissora Subestação distribuidora C Dispositivos E Consumidores comerciais e industriais de automação da distribuição D Distribuição F Consumidores residenciais Figura 42 - Sistema Elétrico de Potência (SEP) Fonte: SENAI DR BA, 2018. Assim, podemos compreender que os caminhos percorridos pela energia elétrica se iniciam na produção (geração) da mesma, sendo transmitida em tensões elevadas para a redução das perdas técnicas. E em seguida, a energia é reduzida para tensões menores a fim de ser distribuída aos consumidores finais. 80 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) 5.2 TIPOS de Distribuição: Aérea, Subterrânea, Rural e Urbana Uma rede de distribuição nada mais é do que o caminho da energia elétrica até os consumidores finais, através de circuitos elétricos com três fases e o neutro. A rede de distribuição é composta por linhas troncos que são as principais e seus cabos possuem uma seção transversal maior do que a dos ramais ou derivações. Possuem transformadores de força, chaves seccionadoras e fusíveis, equipamentos de disjunção e dispositivos de proteção, conforme pode ser observado na figura seguinte. 5 MVA 34,5/13,8 KV Z=1,25 pu 01B1 R1 G F F R2 Y R3 3km 4caa A 5 B A 9 A 8 C 2,5km 4caa C 1km 2caa A 4 1,5km 2caa C A 6 D A A = 30 KVA B= 45 KVA C= 75 KVA D= 112,5 KVA E= 14 KVA 1F F= 15 KVA G= 10 KVA 1F 2km 3km 1/0caa 2 1/0caa 5km 2caa B C B 7 G 0,45km 4caa 0,6km 1.5km 4caa 1/0caa 3 12 G 3x225 KVA INDUSTRIA D C A 0,75km 2caa 4km 2caa A 18 26 F F 3km 4caa A C 12km 2caa 25 B F G B C F B A 5km 2caa B F 1,75km 2caa B 6km 2caa F A F 1km 4caa F F 23 F 24 F A C 27 32 B F B A 20 22 A 31 2km 30 1/0caa A C 2km 4caa F C 21 A A 2km 2caa 19 12km 1/0caa F F G 10 A 17 3x300 F KVA HOSPITAL 3km 1/0caa 33 2km 4caa C 1.5km F 1/0caa 14 A 2km D 1/0caa 0,75km C 11 1/0caa 13 3x150 KVA 34 15 A E 25km 4caa MRT E A A 16 B 1km 4caa 2km 4caa A E 29 E E G F MRT 5km 2caa G 28 E G Figura 43 - Rede de distribuição Fonte: SENAI DR BA, 2018. As redes de distribuição podem ser aéreas, subterrâneas, rurais (RDR) e urbanas (RDU), conforme sua aplicação a fim de atender aos mais diversos consumidores como residenciais, comerciais e industriais. Cada uma tem a sua aplicação específica, considerando a segurança, a densidade de carga a ser alimentada e o custo da instalação. Rede subterrânea Em uma rede subterrânea de distribuição, a energia elétrica é levada aos consumidores finais pela baixa tensão, através das muflas que são eletrodutos compostos pelas três fases (A, B e C) e o neutro (N), conforme ilustra a imagem seguinte. 5 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA – CARACTERÍSTICAS, LIGAÇÕES E FUNCIONAMENTO 81 Figura 44 - Mufla de baixa tensão Fonte: SENAI DR BA, 2018. Rede aérea As redes aéreas são as mais utilizadas, tanto na média quanto na baixa tensão. Elas podem ser constituídas de condutores nus, isolados, spacer ou multiplexados. a) Spacer: redes aéreas que são protegidas e separadas por espaçadores cuja finalidade é segurar os cabos em caso de ruptura dos mesmos, como também proteger contra curtos-circuitos, devido aos galhos de árvore que tocam as fases ou estruturas; Figura 45 - Rede space Fonte: SENAI DR BA, 2018. 82 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) b) Multiplexadas: as redes secundárias aéreas multiplexadas são constituídas por cabos protegidos entrelaçados, tornando-se apenas um, contendo as três fases (A, B e C), bem como o neutro (N), conforme figura a seguir: Figura 46 - Rede multiplexada Fonte: SENAI DR BA, 2018. Rede Urbana (RDU) ou Rural (RDR) Uma rede convencional possui cabos nus e é a mais usada. Ela pode ser urbana para ser utilizada em cidades densamente povoadas, ou rural, que é usada na zona rural, conforme pode ser visto na figura seguinte. Figura 47 - Rede convencional Fonte: SENAI DR BA, 2018. 5 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA – CARACTERÍSTICAS, LIGAÇÕES E FUNCIONAMENTO 83 É possível perceber que existe uma grande diversificação entre as redes aéreas, conforme suas aplicabilidades. 5.2.1 Sistema de Proteção Um sistema de proteção tem como funções reduzir os danos no sistema elétrico e o perigo para os seres humanos, como também fornecer energia para os consumidores de forma confiável, segura e com qualidade. Para que o sistema de proteção possa ter eficiência e precisão, se faz necessário possuir algumas propriedades importantes que definem bem a sua capacidade de solução dos possíveis problemas numa rede de distribuição, como a existência de curtos-circuitos. Além de propriedades, o sistema de proteção possui proteção coordenada e proteção seletiva. Propriedades As propriedades são características necessárias para que o sistema de proteção seja eficiente e preciso. Veja quais são elas: a) Sensibilidade: é a capacidade da proteção de cobrir a maior parte possível do circuito e detectar pequenos defeitos; b) Seletividade: é a capacidade de manter o mais contínuo possível o fornecimento de energia, protegendo o sistema e isolando o defeito; c) Confiabilidade: é a habilidade do sistema de proteção atuar de forma correta e quando realmente necessário, evitando atuações indevidas; d) Economia: é um requisito levado em conta na relação custo x benefício ao se escolher um relé de proteção; e) Velocidade: é a característica que garante que uma adequada proteção irá atuar o mais rápido possível isolando o defeito. PROTEÇÃO COORDENADA O religador de retaguarda testa a rede na zona do fusível ou seccionalizador protetor, com seus religamentos automáticos nas curvas rápidas ou instantâneas. E, se o curto for permanente, o fusível ou seccionalizador protetor isola (interrompe) o seu trecho e o religador permanece fechado dando continuidade ao resto do circuito não envolvido pelo defeito. 84 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) PROTEÇÃO SELETIVA O religador de retaguarda do fusível não testa a zona de proteção do fusível. Este abre o trecho com defeito, permitindo que o resto do circuito permaneça energizado. Mesmo que o sistema de proteção atue corretamente, havendo possíveis defeitos na rede de distribuição, todo o circuito estará protegido contra curtos-circuitos sem que haja danos ao mesmo. 5.2.2 Classe de Tensão: BT, MT, AT e Ligações Para cada tipo de consumidor, existe uma classe de tensão para melhor atendê-lo. A baixa tensão (BT) corresponde aos consumidores que são atendidos em tensões abaixo de 1.000 Volts, a exemplo dos consumidores residenciais. A média tensão (MT) atende aos consumidores comerciais ou industriais, cuja tensão varia entre 4.160 e 34.500 Volts. Já os consumidores de alta tensão (AT), que são aqueles clientes especiais do grupo A, nas tensões entre 138.000 e 765.000 Volts. Na figura a seguir, podem ser observadas as classes de tensão utilizadas em um Sistema Elétrico de Potência (SEP): Subestação de geração Subestação de transmissão Subestação de distribuição Subestação de utilização Geração 12kV - 24kV (13,8Kv) Transmissão 138kV - 765kV (550Kv) Grandes consumidores Sub-transmissão 23kV -138kV Indústrias de médio porte Distribuição 4.16kV - 34.5kV (13,6Kv/11,9Kv/34,5Kv) Pequenas indústrias e shoppings Utilização <1000 V Microempresas / residências / comércio Figura 48 - Tensões utilizadas em um SEP Fonte: SENAI DR BA, 2018. A definição das tensões de operação de cada parte de um sistema elétrico de potência é muito importante para a escolha do tipo de consumidor a ser alimentado por cada circuito. 5 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA – CARACTERÍSTICAS, LIGAÇÕES E FUNCIONAMENTO 85 5.3 Equipamentos de Manobra e de Transformação Os equipamentos de manobra são muito importantes para proporcionar uma operação do sistema de distribuição com confiabilidade e qualidade. Contudo, é preciso conhecer cada um para saber qual melhor se adequa às necessidades do sistema de distribuição. Para tal, serão apresentados os principais equipamentos de manobra de uma rede de distribuição. 5.3.1 Conexões Elétricas As conexões elétricas são de grande importância para a continuidade dos circuitos elétricos. Elas fazem a interligação entre os cabos elétricos. As conexões elétricas, nas redes de distribuição aéreas, constituem em uma das principais causas de defeitos, uma vez que dependem não somente do tipo de tecnologia empregada, mas principalmente do eletricista que executa tais procedimentos. Conexões malfeitas refletem no aumento das perdas técnicas no sistema elétrico e nos elevados custos para a distribuidora com: ressarcimento de danos causados em aparelhos elétricos domésticos, manutenções corretivas, descarte de conectores aplicados indevidamente e em condutores danificados. Tais condutas resultam no comprometimento da imagem da empresa, com a insatisfação dos consumidores, em razão de constantes interrupções no fornecimento de energia elétrica. A aplicação de conexões elétricas nas redes de distribuição aéreas depende, fundamentalmente, da capacitação dos eletricistas no cumprimento dos procedimentos de trabalho. Estes procedimentos de trabalho proporcionam a correta utilização das ferramentas e equipamentos, bem como, dos materiais padronizados e agilizam a execução destas atividades, contribuindo, assim, na melhoria da qualidade do fornecimento de energia elétrica e no aumento da satisfação dos consumidores. No quadro a seguir podem ser observados os condutores padronizados para os ramais da rede de distribuição, que foram apresentados anteriormente, fazendo parte das redes de distribuição aérea, space, multiplexada e isolada. CONDUTORES PADRONIZADOS PARA OS RAMAIS TIPO DO RAMAL TIPO DE CONDUTOR Convencional Nu Convencional MATERIAL DO CONDUTOR SEÇÃO DO CONDUTOR Cobre 35 mm² Alumínio 4 CAA Isolado 15/20 kV Cobre 50 mm² Isolado 20/35 kV Cobre 50 mm² Quadro 6 - Condutores para ramais de distribuição Fonte: SENAI DR BA, 2018. 86 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Conector é um dispositivo eletromecânico que faz a ligação elétrica de condutores entre si e/ou a uma parte condutora de um equipamento, transmitindo ou não força mecânica e conduzindo corrente elétrica. Assim, a importância de um conector está ligada à sua capacidade efetiva de interligação de cabos elétricos. Sempre há necessidade de sua manutenção para que seja realizado o seu reaperto a fim de evitar pontos quentes, ou seja, que o mesmo fique fragilizado, permitindo o rompimento dos cabos elétricos, quando a corrente elétrica for elevada. O quadro seguinte ilustra os principais tipos de conectores. Conector de perfuração Conector estribo Conector parafuso fendido Conector tipo cunha Conector de impacto Quadro 7 - Tipos de conectores Fonte: SENAI DR BA, 2018. O Conector de Derivação, objeto do nosso estudo, liga um condutor de derivação a outro de tronco. Pode ser do tipo cunha, ou seja, sem cartucho, que é próprio para ser instalado nas ligações de equipamentos, jumper, cruzamento aéreo, interligação de cordoalha de aterramento, ligações de alça estribo, conforme as normas técnicas de montagens de redes de distribuição aéreas, sendo que o condutor de maior bitola deve ser instalado no lado de maior curvatura da cunha. Já o conector perfurante é apropriado às conexões de derivação por perfuração da isolação dos condutores, das redes secundárias isoladas, ligações de unidades consumidoras em estribo flexível por meio de ramais de ligação aérea e de entrada subterrâneos. Os conectores de terminal de compressão por parafuso são utilizados nas conexões em terminais de chaves seccionadoras, de para-raios, terminais de transformadores e demais equipamentos. O conector de aterramento liga um ou mais condutores a um eletrodo de aterramento. O de grampo de linha viva é para conexões, na alça estribo, das derivações das redes de distribuição aéreas, bem como para possibilitar a instalação do conjunto de aterramento temporário ou jumpers provisórios (by-pass). 5 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA – CARACTERÍSTICAS, LIGAÇÕES E FUNCIONAMENTO 87 Já o conector luva de emenda é um dispositivo que liga eletricamente as extremidades de dois lances da rede de distribuição compacta, de um mesmo condutor de fase. Portanto, para cada tipo de aplicação tem-se um tipo de conector adequado. Isto torna a rede de distribuição mais segura e com menos possibilidade de saída de operação devido à existência de curtos-circuitos. 5.3.2 Ramais de Ligação Os ramais de ligação são aqueles que interligam os consumidores derivados do circuito principal, constituindo os secundários ou derivações. O ramal de entrada subterrâneo, que geralmente é o mais usado, consiste de um conjunto de condutores e acessórios que interligam o ponto de entrega ao de proteção, medição ou transformação, que é instalado no interior da unidade consumidora. Já o ramal de ligação aéreo é composto de condutores e acessórios instalados entre o ponto de derivação da rede da concessionária e o de entrega, conforme ilustra figura seguinte. Figura 49 - Ramal de ligação Fonte: SENAI DR BA, 2018. 88 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Na rede convencional de distribuição aérea é utilizado o ramal de ligação condutor nu de alumínio, denominados CA ou CAA, de alumínio com alma de aço, conforme mostrado na figura seguinte: Figura 50 - Condutor de alumínio NU Fonte: SENAI DR BA, 2018. A utilização de cabos nus de alumínio nos ramais de ligação é de relevante importância para a distribuição da energia, já que seu custo é bem menor do que o de cobre e transmitem bem a corrente elétrica do circuito. Já na rede compacta, é utilizado nos ramais de ligação um conjunto de cabo de aço denominado “mensageiro” e cabos cobertos (cabos protegidos) fixados em estruturas compostas por braços metálicos, espaçadores e separadores de fase, confeccionados em material polimérico, sendo utilizadas nas tensões de 11,9; 13,8 e 34,5 kV, conforme figura seguinte. Condutor de alumínio bloqueado ou não Cobertura X L P E Figura 51 - Cabo protegido Fonte: SENAI DR BA, 2018. A utilização de cabo protegido nos ramais de ligação torna-se viável para a segurança das pessoas e instalações, quando da ocorrência de curtos-circuitos. 5 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA – CARACTERÍSTICAS, LIGAÇÕES E FUNCIONAMENTO 89 A rede secundária isolada, normalmente em baixa tensão, utiliza condutores multiplexados isolados, conforme figura seguinte. Figura 52 - Condutores multiplexados - isolados Fonte: SENAI DR BA, 2018. Toda rede necessita de um aterramento funcional, que é o aterramento de um condutor vivo, normalmente o neutro, objetivando o correto funcionamento da instalação, a fim de evitar correntes de fuga pela instalação. A rede que não possui aterramento fica fragilizada em termos de ficar susceptível a sobretensões, quando da ocorrência de curtos-circuitos. Já o aterramento temporário consiste na ligação elétrica efetiva e intencional à terra, destinada a garantir a equipotencialidade, ou seja, inexistência de diferença de potencial entre dois pontos, bem como, é mantida continuamente durante a intervenção na instalação elétrica. Por isso, este tipo de aterramento é necessário para se extinguir qualquer corrente elétrica de fuga que possa aparecer no circuito devido a ocorrência de curtos-circuitos ou descargas atmosféricas. CURIOSIDADES A continuidade de um sistema de distribuição de energia é essencial para o dia a dia de qualquer consumidor. Por isso, a rede deve sofrer intervenções periódicas de manutenção, estudos de proteção e aumento de carga. Podemos compreender a real importância do aterramento funcional e temporário, pois sem eles não há segurança para as pessoas e equipamentos, visto que as correntes de fuga não seriam eliminadas, o que comprometeria a segurança. 90 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) 5.3.3 Entrada de Serviço Entrada de serviço é o trecho entre o ponto de derivação da rede de distribuição até terminais da medição, conforme pode ser observado na figura seguinte. Rede primária de distribuição Ponto de entrega A B Condutor do ramal de entrada Subestação particular Condutor do ramal de ligação Limite da propriedade Poste particular AC - Entrada de serviço AB - Ramal de ligação BC - Ramal de entrada Proteção medição C Aterramento geral Figura 53 - Entrada de serviço de energia Fonte: SENAI DR BA, 2018. A entrada de serviço de energia recebe alimentação da rede de distribuição mais próxima, através do ramal principal ou secundário, proveniente da concessionária local. O padrão de entrada tem que ser especificado segundo as normas internas da concessionária local, a fim de que a energia seja alocada no quadro de distribuição da edificação para ser melhor aproveitada nos circuitos internos do empreendimento. Assim, entende-se como padrão e ponto de entrada: a) Padrão de entrada: ponto em que uma linha externa de energia elétrica penetra na edificação. Compreende o poste auxiliar, o ramal de entrada, a caixa de medição, o disjuntor de entrada e o aterramento; b) Ponto de entrega: ponto de conexão do sistema elétrico da concessionária com as instalações elétricas da unidade consumidora, caracterizando-se como o limite de responsabilidade do fornecimento. 5 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA – CARACTERÍSTICAS, LIGAÇÕES E FUNCIONAMENTO 91 Seja uma rede de distribuição onde, na figura a seguir, é mostrado um poste com uma chave seccionadora, que faz o desligamento de um circuito defeituoso. Figura 54 - Chave para desligamento de circuito defeituoso Fonte: SENAI DR BA, 2018. Podemos compreender que a chave para desligamento de circuito é importante, pois, quando ocorre um defeito, provocado por curto-circuito ou descarga atmosférica, o circuito deverá ficar fora de operação pela atuação evitando acidentes. FIQUE ALERTA A elaboração dos projetos de redes de distribuição deve ser baseada nos Procedimentos de Rede do Operador Nacional do Sistema (ONS), visto que há riscos de acidentes com pessoas e equipamentos. Os equipamentos de manobra e de transformação são essenciais numa rede de distribuição de energia para que se possa ter uma operacionalidade adequada a fim de atender os consumidores finais. 92 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) 5.4 Requisitos Básicos para aplicação de Conexões As conexões fazem a interligação entre condutores de energia, porém necessitam obedecer alguns requisitos básicos de operação, a fim de validar sua eficiência para evitar pontos quentes, que contribuiriam para a existências dos defeitos nos circuitos. São considerados requisitos básicos para a realização de conexões: a) Atenção aos procedimentos de trabalhos estabelecidos na IND 07.13 – Procedimentos para Aplicação de Conexões em Rede de Distribuição Aérea; b) Existência de ordem de serviço específica para realização do serviço; c) Realização do check-list da viatura, materiais, ferramentas e equipamentos; d) Execução das conexões sempre com mais de um elemento para auxílio nas tarefas ou atender em casos de emergência; e) Execução das conexões somente por elementos devidamente capacitados; f) Estacionamento da viatura de forma adequada, com o calçamento das rodas e instalação do aterramento temporário da viatura; g) Delimitação e sinalização adequada da área de serviço; h) Realização do planejamento da tarefa, “Conversa ao Pé do Poste”, e da Análise Preliminar de Risco (APR); i) Preparação das ferramentas, materiais e equipamentos necessários para a realização da tarefa. 5 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA – CARACTERÍSTICAS, LIGAÇÕES E FUNCIONAMENTO 93 CASOS E RELATOS Manutenção em um Sistema de Distribuição de Energia A manutenção de uma rede de distribuição é fundamental para a redução das falhas nos alimentadores e ramais. A falta dela compromete os índices de continuidade, que são monitorados pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), cujos principais são: Duração Equivalente (DEC) da falta de energia por grupo de Consumidor e Frequência Equivalente (FEC) com que falta energia por grupo de Consumidor. Existe um programa de intensa e minuciosa manutenção que, em época de carnaval, é colocado em prática para sanar quaisquer possíveis problemas na rede de distribuição (alimentadores e ramais), a fim de evitar que danos à rede elétrica coloquem em risco a vida de pessoas e equipamentos. Este programa é aplicado sistematicamente neste período do ano para reforçar a rede de distribuição, evitando possíveis falhas. Em 2015, houve uma queda de condutor no circuito do carnaval, mesmo com todo o programa de manutenção que foi aplicado, ocasionando ferimentos em pessoas que transitavam pelo local. Como o condutor caiu no asfalto, originou uma falta de alta impedância com correntes muito baixas em que a proteção automática não foi sensibilizada. Com isso, houve necessidade de desligamento manual do circuito defeituoso. As conexões elétricas, quando bem aplicadas à rede de distribuição, proporcionam uma confiabilidade no fornecimento da energia elétrica, evitando possíveis problemas de queda de condutores ao solo devido à existência de curtos-circuitos que estressam os cabos por causa das forças eletrodinâmicas desenvolvidas nesta situação. 94 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) RECAPITULANDO Vimos que as redes de distribuição são de vital importância para que a energia elétrica chegue aos consumidores industriais, comerciais e residenciais. Por outro lado, a confiabilidade e, consequentemente, a qualidade de energia disponibilizada aos consumidores é de suma importância. Além disso, vimos que os equipamentos e acessórios utilizados na rede de distribuição facilitam o transporte da energia elétrica. Como também que o material tem que ser de qualidade e é muito importante que sua manutenção seja realizada regularmente. Aprendemos também que com estas ações é possível ter uma rede de distribuição eficiente, mantendo assim os índices de qualidade dentro dos parâmetros estabelecidos pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), como também as conexões elétricas devem desempenhar o seu papel de interligação de condutores de energia, com bastante confiabilidade. Por isso, a manutenção adequada delas é fundamental para o seu bom desempenho. 5 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA – CARACTERÍSTICAS, LIGAÇÕES E FUNCIONAMENTO 95 Características da transmissão de energia 6 O Sistema de transmissão de energia tem como propósito interligar, com grande confiabilidade, a produção da energia elétrica aos centros de consumo, através das usinas geradoras (hidroelétricas, térmicas, nucleares, eólicas, solares e outras). A energia gerada é transportada até os consumidores através das linhas de transmissão (LT), que, em circuitos de alta frequência, podem substituir indutores, capacitores, circuitos ressonantes, filtros, transformadores e até isoladores. Os níveis de tensão das LT são classificados em baixa tensão (até 1 kV), média tensão (de 1 a 100 kV) e alta tensão (acima de 100 kV). De acordo com a Resolução Nº 456/2000 da ANEEL e o módulo 3 do Procedimentos de Rede (Prodist), a tensão de fornecimento para a unidade consumidora se dará de acordo com a potência instalada. Por cobrir extensivamente o sistema, a LT fica sujeita a riscos, como vento, animais, descarga atmosférica, etc., bem maiores do que os riscos sofridos pelos transformadores e geradores, sendo considerados os elementos mais vulneráveis do sistema elétrico. Figura 55 - Linhas de transmissão de energia elétrica Fonte: SHUTTERSTOCK, 2018. 98 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Como podemos observar na figura anterior, nas linhas de transmissão predomina a estrutura de linhas aéreas, com cabos supercondutores, que têm a finalidade de fazer com que o fluxo de potência possa fluir com maior eficiência e confiabilidade. Através dos cabos supercondutores, a LT transmite a energia desde as grandes usinas de geração até as áreas de grande consumo. Eles transportam mais energia elétrica, com menos perdas em altas tensões, aumentando a capacidade da transmissão de energia aos consumidores finais. As perdas de energia são maiores para a transmissão em corrente contínua para curtas distâncias (até 80 km) e para corrente alternada para grandes distâncias (acima de 240 km). SAIBA MAIS Para saber como reduzir as interrupções no fornecimento de energia elétrica, garantindo a eficiência energética e diminuindo a poluição visual nos grandes centros urbanos, consulte o site da Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG), um dos parceiros no desenvolvimento da tecnologia dos cabos supercondutores, juntamente com a Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro. Os cabos são responsáveis por trafegar a corrente elétrica até seu ponto de destino. Existem cabos mais modernos e mais resistentes conhecidos como HTS (High Temperature Superconductors), que conseguem suportar altas temperaturas e esforços mecânicos maiores que os cabos de cobre comum, alcançando também a capacidade de transmitir de três a cinco vezes mais energia elétrica do que os cabos convencionais que são utilizados hoje. Estes cabos mais modernos são os mais utilizados em dutos subterrâneos para aumentar a capacidade de transmissão, já que a elasticidade e resistência (principalmente à temperatura) são necessárias para resistir a essas condições. Algumas concessionárias de energia estão investindo intensamente nestes supercondutores em razão da tecnologia disponível para aumentar a capacidade de transmissão com maior confiabilidade. Nesse sentido, estudos foram feitos para apontar as evoluções dos índices de qualidade do sistema de transmissão com a intenção de quantificar a eficiência desses investimentos. CASOS E RELATOS Transmissão de energia Uma fábrica de óleo de soja iria se instalar na região oeste da Bahia porque havia demanda nesta região. Porém, suas instalações eram na tensão de 69 kV. A linha de transmissão mais próxima era isolada para 138 kV. Daí, houve a necessidade de um acordo entre a concessionária local e a fábrica para que esta fosse alimentada na tensão de 69 kV, mesmo sendo isolada para 138 kV, ou seja, podendo ser energizada nestas duas tensões. 6 CARACTERÍSTICAS DA TRANSMISSÃO DE ENERGIA 99 Neste acordo, a fábrica dispenderia um valor mensal a mais para ter direito ao uso desta linha de transmissão e alimentar suas instalações a fim de dar prosseguimento à sua produção de óleo de soja. Para que isso ocorresse, a fábrica deveria contribuir na manutenção desta linha para que ela estivesse pronta para operar na tensão desejada. Após a manutenção, foram definidas as condições de operação necessárias à energização da fábrica. Como a energia elétrica não se acumula, de forma que tudo o que é gerado é consumido pelos clientes, poucos consumidores com um alto consumo de energia elétrica são conectados às redes de transmissão, sendo necessário o entendimento de como a energia elétrica é transferida da geração até o consumidor final. 6.1 FUNCIONAMENTO DE UM SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA Um sistema elétrico de potência é responsável pela geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, devendo atender a determinados padrões de segurança, qualidade, disponibilidade, confiabilidade e custos com o máximo de segurança pessoal e o mínimo de impacto ambiental. A estrutura deste sistema é representada, de uma forma básica, como na figura seguinte. A Geração Transformador B Transmissão Usina hidroelétrica Subestação transmissora Subestação distribuidora D Consumidores comerciais C Distribuição e industriais E Consumidores residenciais Figura 56 - Estrutura básica de um sistema elétrico Fonte: SENAI DR BA, 2018. 100 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) Podemos observar, na figura anterior, que os três pilares de um sistema elétrico de potência são: a) A geração, representada pela letra “a”, onde é produzida a energia elétrica; b) A transmissão, representada pela letra “b”, na qual é transportado o fluxo de potência em altas tensões para reduzir as perdas elétricas; c) A distribuição dessa energia para os consumidores finais, representada pela letra “c”. Nas letras “d” e “e”, podemos observar os consumidores finais, que podem ser as indústrias, os comércios ou as residenciais. 6.2 TIPOS DE TRANSMISSÃO E DIAGRAMAS A transmissão de energia elétrica é o procedimento que encaminha eletricidade de um lugar para outro. Esse transporte normalmente é feito através das linhas de transmissão de alta potência, utilizando corrente alternada e interligando a usina geradora ao consumidor final (usuário). É normal que um mesmo consumidor seja alimentado por circuitos diferentes para proporcionar mais confiabilidade no fornecimento de energia. Quanto mais interligações nessa rede, maior a confiabilidade do sistema, apesar de também se tornar mais complexo. Os circuitos diferentes podem tanto contribuir para um melhor suprimento de eletricidade, como para a propagação de falhas no sistema, de forma que quando um sistema falha, o outro está preparado para supri-lo sem prejudicar o consumidor. Um aspecto fundamental para as redes de transmissão é a segurança. Qualquer falha neste nível pode levar a descontinuidade de suprimento para um grande número de consumidores. Por isso, a energia elétrica é permanentemente monitorada e gerenciada por um centro de controle e seu nível de tensão deve estar estabelecido entre 220 e 765 kV, podendo variar dependendo do país. A transmissão de energia elétrica no Brasil depende da rede composta de 900 mil linhas, que são operadas por 64 concessionárias, espalhadas por todo país. Somente pouco mais de 3% do total da produção de energia elétrica do país não está interligada no Sistema Interligado Nacional (SIN). Podemos representar o SIN pelo diagrama da figura a seguir, configurando um sistema interligado que contém praticamente todas as linhas de transmissão com tensão igual ou superior a 230 kV do Brasil. 6 CARACTERÍSTICAS DA TRANSMISSÃO DE ENERGIA Sistema A Sistema E 101 Sistema B Sistema C Sistema D Figura 57 - Sistema Interligado Nacional (SIN) Fonte: SENAI DR BA, 2018. Na figura anterior, podemos observar uma interligação entre grandes sistemas, unindo blocos de carga. Esta interligação proporciona uma maior confiabilidade ao Sistema Interligado Nacional, de forma que qualquer defeito que faça com que algum desses subsistemas fique fora de operação, é suprido pelos demais sistemas, fazendo com que tudo funcione normalmente. Além disso, o SIN permite que, em determinadas regiões, que não são possíveis de gerar a quantidade mínima de energia necessária para atender a população, possamos redirecionar uma quantidade de energia de outro lugar que não estava sendo totalmente utilizada. CURIOSIDADES Você sabia que ao longo da transmissão de energia é necessário fazer a transposição das fases a fim de anular os efeitos magnéticos gerados pela passagem da corrente elétrica senoidal? Se isso não for feito, haverá diversos problemas na transmissão de energia, já que teremos muitas interferências eletromagnéticas entre os condutores das fases. Existe, entretanto, uma desvantagem evidente com esta interligação, que é o fato da rede ficar mais sensível a surtos repentinos de tensão. Quando ocorre uma sobrecarga em qualquer linha de transmissão da rede básica, a proteção automaticamente sai, tirando alguns disjuntores de subestações para aliviar a carga e preservar o máximo possível as instalações com energia. Isto é chamado de efeito dominó, pois vai desarmando disjuntores até que a geração fique compatível com a carga. 102 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) 6.2.1 LIGAÇÕES O sistema de alta tensão de transmissão de energia brasileiro é composto por ligações entre sistemas e pelas seguintes classes de tensão e suas extensões: TENSÃO EXTENSÃO 765 kV 2.698 km 600 kV 4.044 km 525 kV 5.225,65 km 500 kV 29.643,97 km 440 kV 6.829,93 km 345 kV 9.360,32 km 230 kV 44.056,21 km Quadro 8 - Extensão das LT por nível de tensão Fonte: SENAI DR BA, 2018. Pelo quadro anterior, ao observar toda a extensão contemplada pelo SIN, podemos constatar que o sistema de transmissão de energia do Brasil é todo interligado. As várias linhas de transmissão são ligadas entre si por seus níveis de tensão. Percebe-se que, quanto menor é o nível de tensão, maior é a extensão das linhas. 6.2.2 SIMBOLOGIA A rede de subtransmissão recebe energia da rede de transmissão com a função de transportar esta energia recebida para pequenas cidades e consumidores comerciais e residenciais, com nível de tensão entre 35 kV e 160 kV. O arranjo das redes de subtransmissão, ou seja, a forma com que seus equipamentos estão posicionados no sistema, em geral, é em anel para aumentar a segurança do sistema. O mais comum é que as suas estruturas estejam disponíveis em linhas aéreas, mas, algumas vezes, cabos subterrâneos próximos a centros urbanos podem fazer parte da rede. Hoje em dia, a permissão para novas linhas aéreas está cada vez mais demorada devido ao grande número de estudos de impacto ambiental e oposição social. Como resultado, é cada vez mais difícil e caro para as redes de subtransmissão alcançar áreas de alta densidade populacional. 6 CARACTERÍSTICAS DA TRANSMISSÃO DE ENERGIA Subestação de transmissão Usina de energia Linha de transmissão de alta voltagem 103 Poste de energia Subestação de energia Transformador Tambor do Transformador Figura 58 - Representação dos processos de transmissão Fonte: SENAI DR BA, 2018. Os sistemas de proteção das redes de subtransmissão são do mesmo tipo dos utilizados para as redes de transmissão e o controle também é regional, ou seja, cada sistema regional possui sua rede de transmissão e subtransmissão. Na figura anterior, é mostrado todo o percurso da energia elétrica, desde a subestação elevadora de tensão, passando pelas linhas de transmissão, pela subestação abaixadora de tensão, até chegar aos consumidores finais. 6.3 APLICAÇÃO CONFORME NORMA E PADRÕES DA CONCESSIONÁRIA LOCAL O Sistema Elétrico de Potência é regido pelos procedimentos de rede, que são elaborados pelo Operador Nacional do Sistema e pelas normas internas da concessionária. Ele é baseado na detecção de condições de faltas nas linhas de transmissão, com o auxílio do monitoramento contínuo do sistema de potência, através das variações de diferentes grandezas (de correntes, tensão, potência, frequência, e impedância, etc.). Portanto, o SEP é utilizado pelas concessionárias de energia, conforme seus padrões e normas estabelecidos previamente. Trata-se de um conjunto de dispositivos como relés, disjuntores, para-raios e fusíveis, com a finalidade de proteger o sistema elétrico de distúrbios como sobretensões, sobrecorrentes, curtocircuito, etc. Devido ao grande crescimento do consumo de energia elétrica, o sistema elétrico é permanentemente atualizado, apresentando uma grande complexidade e uma enorme diversidade de equipamentos e dispositivos de proteção (relés), que requerem altos investimentos para a sua aquisição, implantação e manutenção e são utilizados em caso de proteção. As proteções são requeridas para funcionar quando as condições do sistema estão anormais, por isso, quando se inicia o estudo de proteção dos sistemas elétricos, começa-se pelos estudos dos principais distúrbios que aparecem quando se opera o sistema elétrico, tais como: 104 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) a) Curto-circuito: ocorre devido à perda de isolamento, descargas atmosféricas, etc.; b) Perda de sincronismo: ocorre devido ao desequilíbrio carga x geração x limite de transmissão; c) Sobrecarga. As zonas de proteção que os relés proporcionam aos sistemas de transmissão podem ser vistas na figura seguinte: 2 B 4 1 3 C D A 5 6 Figura 59 - Zonas de proteção Fonte: SENAI DR BA, 2018. Podemos observar na figura anterior que todos os trechos do sistema estão cobertos pela proteção, ou seja, qualquer defeito provocado por algum curto-circuito será eliminado pelos relés de proteção digitais. As zonas de proteção permitem que todas as LTs tenham relés que operem para defeitos provocados por curtos-circuitos, descargas atmosféricas ou árvores que tocam a linha, bem como, atuam para religar quando o defeito é transitório. CAUSAS DOS CURTOS-CIRCUITOS Os curtos-circuitos são falhas ou defeitos ocorridos num sistema elétrico que o danificam se não forem eliminados rapidamente e podem acontecer devido às variadas situações. As mais frequentes são: a) Descargas atmosféricas; b) Falhas mecânicas em cadeias de isoladores; c) Fadiga ou envelhecimento de materiais; d) Ação do vento, neve ou similares; e) Poluição (queimadas); f) Queda de árvores sobre redes; g) Colisão de veículos com elementos de sustentação de linhas; h) Inundações; i) Desmoronamentos; 6 CARACTERÍSTICAS DA TRANSMISSÃO DE ENERGIA 105 j) Vandalismo; k) Entrada de pequenos animais em equipamentos; l) Manobras incorretas. FIQUE ALERTA Cuidados devem ser tomados na elaboração dos ajustes dos dispositivos de proteção, a fim de preservar a vida das pessoas e equipamentos do sistema. Com esta prática, o sistema de transmissão operará dentro dos critérios estabelecidos pelo Operador Nacional do Sistema (ONS), evitando acidentes com pessoas e equipamentos adjacentes. Os curtos-circuitos são muito danosos a um sistema elétrico de potência, caso não seja eliminado no menor tempo possível pelo sistema de proteção, através de seus dispositivos como relés digitais e elos fusíveis. 6.3.1 CRITÉRIOS BÁSICOS DE UM SISTEMA DE PROTEÇÃO Para que se tenha um sistema de proteção adequado, é necessário conhecer os procedimentos de rede, elaborados pelo Operador Nacional do Sistema (ONS), bem como as normas internas da concessionária local. Desta forma, haverá mais eficiência na operação do sistema de transmissão, que deverá manter as melhores condições de atendimento aos diversos consumidores. As cadeias de proteção utilizadas são complementares, ou seja, são dois sistemas de proteção idênticos para o caso de falha de um deles. Os sistemas de transmissão podem ser afetados por falhas, devido às descargas atmosféricas ou pontos quentes em isoladores e conectores, além das altas correntes, provenientes dos curtos-circuitos, poderem danificar os equipamentos, se estes não forem eliminados em milissegundos. Alguns critérios devem ser seguidos para que haja um perfeito atendimento aos princípios dos sistemas de proteção. Dentre eles, os sistemas de proteção devem ter: a) Sensibilidade: ser suficiente sensível para operar com segurança quando ocorrem anormalidades do sistema; b) Velocidade: ser rápido para operar com segurança, ou seja, retirar o circuito defeituoso em milissegundos; c) Seletividade: ser seletivo, ou seja, ser retirado de operação quando ocorre mais de um defeito ao mesmo devendo operar somente quando for necessário; 106 INSTALAÇÕES DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA (SEP) d) Economia: ser de baixo custo de implantação visando ser economicamente viável, considerando o aspecto custo/benefício; e) Confiabilidade: é a possibilidade de um componente, um equipamento ou um sistema de proteção satisfazer a função prevista, ou seja, atuar conforme suas características, sob dadas circunstâncias adversas ao que foi determinado para suas funções de fabricação. É a garantia que a proteção operará corretamente em resposta a uma falta e com segurança. A confiabilidade requer que o sistema de proteção tenha um desempenho correto acima das adversidades do sistema e das condições ambientais. f) Simplicidade: além de atender todos os requisitos anteriores, o sistema de proteção deve ser de simples projeto, instalação e manutenção. 6.3.2 IDENTIFICAÇÃO DOS CRITÉRIOS PADRONIZADOS PARA ANÁLISE DE ATUAÇÃO DA PROTEÇÃO A proteção de um sistema elétrico que faz a transmissão de energia precisa de um esquema para funcionar perfeitamente. Esse esquema funciona através de relés digitais, que eliminam os defeitos e necessitam de: a) Atuação correta: quando o dispositivo de proteção atua dentro da finalidade para o qual foi projetado, para as grandezas elétricas dentro das faixas adequadas de ajustes para o defeito; b) Atuação incorreta: quando a atuação dos dispositivos de proteção, ou seja, dos relés digitais, se verifica sem que o mesmo tenha desempenhado a função prevista em sua aplicação, desde que tenha havido ocorrência no sistema elétrico de potência; c) Atuação acidental: quando ocorre a atuação de um dispositivo de proteção sem que tenha havido perturbação no sistema de potência, ou seja, quando a atuação resulta de fatores externos que interfiram no desempenho normal do dispositivo de proteção, como erros humanos, falhas em relés, vibrações e outros; d) Recusas de atuação: quando acontece uma ocorrência ou um curto-circuito que causa uma perturbação dentro da área de atuação de um relé digital e este não opera por algum motivo ou falha, fica caracterizada a recusa da atuação do mesmo. As propriedades de um sistema de proteção devem estar bem estruturadas para que os defeitos no sistema de transmissão, provocados por curtos-circuitos, sejam eliminados no menor tempo possível a fim de minimizar os danos causados pelo surgimento de altos valores de correntes elétricas. 6 CARACTERÍSTICAS DA TRANSMISSÃO DE ENERGIA 107 RECAPITULANDO Neste capítulo aprendemos que a transmissão de energia elétrica é o processo de transferir energia entre dois pontos, conectando, geralmente, uma usina a um consumidor final. Este transporte é realizado por linha de transmissão de alta potência, geralmente utilizando corrente alternada, podendo, entretanto, usar também corrente contínua. Para que as linhas de transmissão possam transportar a energia com eficiência e qualidade é essencial que o sistema de proteção seja rápido e preciso, a fim de eliminar os defeitos ocasionados por falhas ou curtos-circuitos. Portanto, devem ser especificados de acordo com as normas do operador nacional do sistema e da concessionária local. Do exposto, pode-se concluir que a transmissão da energia é feita pelas linhas de transmissão, que transferem o fluxo de potência para a subestação abaixadora até chegar aos consumidores finais e é supervisionada pelo sistema de proteção. Vimos, também, que o sistema de interligação da distribuição, do sistema elétrico, oferece mais confiabilidade e continuidade do que o sistema de transmissão, devido ao fato de haver várias possibilidades de remanejamento das cargas, quando ficam sem energia devido a defeitos em suas linhas de transmissão e distribuição. Conhecemos o que são curtos-circuitos e aprendemos que se não forem eliminados rapidamente, podemos ter problemas sérios no sistema elétrico. Por fim, percebemos que vale a pena e é viável um maior investimento para a rede elétrica devido aos muitos benefícios conseguidos. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5410: Instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro, 2004. Versão corrigida: 2008. CEB Distribuições. Instrução normativa da distribuição nº 007/13 – GRNT. Procedimentos para aplicação de conexões em rede de distribuição aérea. 1. ed. 2013. CENTRO DE REFERÊNCIA PARA AS ENERGIAS SOLAR E EÓLICA SÉRGIO S. DE BRITO (CRESESB). História da energia eólica e suas utilizações. 2017. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/ index.php?section=com_content&lang=pt&cid=201>. Acesso em: 20 jan. 2018. ELGERD, O. Introdução à teoria de sistemas de energia elétrica. Rio de Janeiro: McGraw-Hill, 1976. FUCHS, R. D. Transmissão de energia elétrica. Rio de Janeiro: LTC, 1977. v. 1 e 2. SENAI. Departamento Nacional. Departamento Regional da Bahia. Inovação e Tecnologias educacionais. Brasília: SENAI DN; Salvador: SENAI DR BA, 2018. SHUTTERTOCK. Sistemas híbridos de geração de energia. Figura 1. 2018. 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MINICURRÍCULO DO AUTOR JÚLIO CÉSAR XAVIER CHIARADIA Júlio César Xavier Chiaradia possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá MG – UNIFEI (1984) e MBA em Gestão de Empresas de Energia Elétrica pela Fundação Getúlio Vargas EAESP – São Paulo (2004). É graduado em Matemática pela Fundação de Ensino e Pesquisa de Itajubá MG – FEPI (1983). De 2005 a 2015 foi professor titular e coordenador da pós-graduação da Faculdade de Ciência e Tecnologia – ÁREA 1. Também exerceu a atividade de professor titular da UNIFACS de 2011 a 2016. Foi professor da UNIJORGE de 2013 a 2015. Trabalhou na Coelba de Outubro de 1984 a Janeiro de 2015, data de sua aposentadoria. Atualmente, é professor da Faculdade Nobre e UNEF de Feira de Santana. Índice A ANSI 57 I indução eletromagnética 45 SENAI - DEPARTAMENTO NACIONAL UNIDADE DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA – UNIEP Felipe Esteves Morgado Gerente Executivo Luiz Eduardo Leão Gerente de Tecnologias Educacionais Fabíola de Luca Coimbra Bomtempo Coordenação Geral do Desenvolvimento dos Livros Didáticos Catarina Gama Catão Apoio Técnico SENAI – DEPARTAMENTO REGIONAL DA BAHIA Ricardo Santos Lima Coordenação do Desenvolvimento dos Livros Didáticos Júlio César Xavier Chiaradia Elaboração Daniel Spinelli Revisão Técnica Edeilson Brito Santos Coordenação Técnica Marcelle Minho Coordenação Educacional André Luiz Lima da Costa Igor Nogueira Oliveira Dantas Coordenação de Produção Paula Fernanda Lopes Guimarães Coordenação de Projeto Geovana Cardoso Fagundes Rocha Larissa Leslie Sena Lorena Bárbara Ribeiro Thaís Araújo Soares Design Educacional Daiane Amancio Revisão Ortográfica e Gramatical Alex Ricardo de Lima Romano Antônio Ivo Ferreira Lima Daniel Soares Araújo Fábio Ramon Rego da Silva Thiago Ribeiro Costa dos Santos Vinicius Vidal da Cruz Ilustrações e Tratamento de Imagens Nelson Antônio Correia Filho Fotografia Alex Ricardo de Lima Romano Antônio Ivo Ferreira Lima Vinicius Vidal da Cruz Leonardo Silveira Diagramação, Revisão de Arte e Fechamento de Arquivo Renata Oliveira de Souza CRB - 5 / 1716 Normalização - Ficha Catalográfica Daiane Amancio Revisão de Padronização e Diagramação Xxxxxxx Xxxxxxx Xxxxxxx Xxxxxxx Xxxxxxx Xxxxxxx Xxxxxxx Xxxxxxx Comitê Técnico de Avaliação i-Comunicação Projeto Gráfico
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