Geração de Energia Elétrica - Introdução

Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica

Jim S. Naturesa

FAAP - Faculdade de Engenharia

Linhas de transmissão

• São tensões típicas de transmissão no Brasil os níveis em alta tensão (AT) de 138 kV e 230 kV, e, em extra-alta tensão (EAT), de 345 kV, 440 kV, 500 kV e 765 kV.

• São tensões típicas de subtransmissão no Brasil os níveis de 34,5 kV, 69 kV, 88 kV e 138 kV e, em alguns grandes centros urbanos, o nível de 230 kV.

• Antes de ser consumida, a energia elétrica passa por mais um estágio, isto é, a distribuição. Subestações de distribuição reduzem a tensão do nível de repartição para que a energia possa chegar próximo às nossas casas e permitir o seu uso. As tensões de distribuição são de 3 a 25 kV na rede primária e de 110 a 380 V na rede secundária.


Linhas

• Em resumo, são quatro as funções dos sistemas de transporte de energia:

• 1) Transmissão: interligação da geração aos centros de carga.

• 2) Interconexão: interligação entre sistemas independentes.

• 3) Subtransmissão: rede para casos em que a distribuição não se conecta diretamente à transmissão.

• 4) Distribuição: rede que interliga a transmissão ou a subtransmissão aos pontos de consumo.


Linhas

• A potência ativa trifásica é dada por:• Ptrifásico = √3 * V* I * cos (φ)• Onde:• P é a potência ativa em MW;• V é a tensão de transmissão entre fases

em kV (valor eficaz);• I é a corrente em cada uma das 3 fases em

kA (valor eficaz);• cos (φ) é o fator de potência, ligado ao

conteúdo de potência reativa da transmissão.


Linhas

• O ideal é obter um valor mínimo para a potência reativa de modo a maximizar a potência ativa transferida para um mesmo nível de tensão.

• A potência reativa está relacionada às "trocas de energia" existentes entre elementos ativos do sistema tais como: capacitores, reatores, linhas de transmissão, geradores etc.

• Essas trocas de energia são devidas à natureza dos componentes e não podem ser completamente eliminadas em sistemas de corrente alternada.

• Observa-se que apesar de não gerar trabalho, a existência da potência reativa, cos (φ) < 1, implica um aumento da corrente (e conseqüentemente das perdas) para o transporte de uma mesma quantidade de potência.


Linhas - perdas

• O processo de transporte de energia elétrica apresenta perdas de diversas naturezas: por efeito Joule (calor) nos condutores e nos enrolamentos dos equipamentos, perdas devido à histerese dos transformadores e reatores e perdas por corrente de fuga nos isoladores.

• A redução das perdas nos transformadores está ligada à qualidade das chapas de aço-silício dos núcleos desses equipamentos e do nível de saturação usado no projeto.


Linhas - perdas

• As perdas Joule, que constituem a maior quantidade da energia perdida nos sistemas de transporte de energia elétrica, podem ser calculadas por:

• Perdastrifásicas = 3 * (ρ * l / S) * I2

• Onde:• ρ é a resistividade do material, em geral o

alumínio, cobre ou ligas de alumínio;• l é o comprimento do trecho em análise;• S é a seção condutora do condutor e • I é a a corrente de linha do sistema.


Linhas - perdas• O projeto econômico de qualquer rede elétrica passa pela definição do nível

da tensão e, conseqüentemente, da corrente mais adequada, na escolha da seção condutora dos cabos (bitola) de modo a minimizar os custos dos investimentos e os custos das perdas.

• Maiores níveis de tensão e maiores bitolas aumentam os investimentos, porém reduzem as perdas Joule.


Caracterização dos sistemas de transmissão de energia elétrica.

• De uma forma geral, podem-se caracterizar os sistemas de transmissão por:

• Altos níveis de tensão (acima de 69kV).

• Manejo de grandes blocos de energia.

• Distâncias de transporte razoáveis (normalmente acima de l00 km no caso do Brasil).

• Sistema com várias malhas, interligando blocos de geração (usinas) a regiões de consumo de grande porte (carga agregada) nos finais ou em pontos bem determinados das linhas.


Caracterização dos sistemas de transmissão de energia elétrica.

• Os sistemas de distribuição, por sua vez, apresentam:

• Baixos níveis de tensão (abaixo de 34,5kV).

• Manejo de menores blocos de energia.

• Menores distâncias de transporte.

• Sistema predominantemente radial em condições normais, podendo haver malhas para atendimento em emergência em que cada ramal alimenta um grande número de cargas.


Sistemas CA e CC

• As vantagens da rede CA são: a facilidade de interconexão através de subestações de interligação ou chaveamento ou de subestações de transformação e a simplicidade dessas subestações.

• Entretanto, linhas de transmissão de corrente contínua são mais baratas que as de corrente alternada para o mesmo nível de potência. Por essa razão, sistemas em CC podem ser competitivos para transporte a longas distâncias, por exemplo acima de 700 ou 800 km.

• Para cada nível de potência, há uma distância em que redes de

CC transportam energia de modo mais econômico do que redes CA.

• São desvantagens dos sistemas em CC a sua menor flexibilidade de interligação e a maior complexidade e custo das subestações conversoras.


Sistemas CA e CC


Redes interligadas

• A operação interligada traz grandes vantagens ao dimensionamento de sistemas de transmissão: permite o uso mais otimizado das fontes de geração, com redução do custo; aumenta a flexibilidade operativa e a confiabilidade do sistema; e reduz o porte de dimensionamento do sistema.

• Por essa razão, os sistemas de transmissão começaram a se interligar, e hoje são poucas as regiões desenvolvidas que não fazem parte de sistemas regionais nacionais.

• No Brasil há dois grandes sistemas interligados: um na região N-NE e outro nas regiões S-SE-CO. Esses dois sistemas estão interligados através de uma linha em CA de 500 kV, chamada interligação Norte-Sul.


Redes interligadas

• Do ponto de vista de geração de energia, a operação interligada permite o uso otimizado dos reservatórios das usinas hidrelétricas, o que no caso da região S-SE-CO do Brasil permite um ganho de cerca de 30% no volume da energia garantida (com probabilidade acima de 95%).

• A principal desvantagem da interligação de diferentes sistemas é a necessidade de uma operação segura do ponto de vista de estabilidade entre os geradores, ou seja, um distúrbio em um local pode provocar o desligamento de outros geradores em locais mais distantes (efeito cascata) agravando substancialmente o defeito.


Novas tecnologias

• Para permitir uma maior flexibilidade de adaptação e viabilizar um maior aproveitamento dos sistemas existentes, diversos equipamentos e tecnologias têm sido desenvolvidos:

• Uso de Linhas de Potência Natural Elevada - LPNE; e

• Uso de equipamentos que permitem a flexibilização dos sistemas existentes — FACTS (Flexible AC Transmission-Systems).


Transmissão em CA

• O surgimento dos transformadores de potência em CA tornou possível a transmissão de energia em tensões bem mais elevadas do que as de geração, possibilitando o transporte a distâncias cada vez maiores e com menores custos de transmissão.

• Os principais equipamentos existentes nas subestações em corrente alternada além das estruturas e dos barramentos são os transformadores, os reatores, os bancos capacitores, os disjuntores, as chaves seccionadoras, os pára-raios e os transformadores de potencial e de corrente.


Transmissão em CA• A grande vantagem dos sistemas em corrente alternada em relação aos de corrente

contínua é no que se refere à facilidade de interconexões, pois as subestações de CA são bem mais simples do que as subestações inversoras do sistema em CC.

• As máquinas em CA, tanto geradoras como motoras, são equipamentos bem mais simples do que as correspondentes em CC, especialmente as trifásicas de grande porte.


Transmissão em CC

• As vantagens da transmissão em CC são:• Linhas de transmissão mais simples;• Possibilidade de corrente de retorno por terra ou

por mar;• Operação assíncrona de sistemas;• Comprimento de linhas não limitado por razões de

estabilidade;• Possibilidade de interligar sistemas com

freqüências diferentes; e• Fácil controle de potência entre áreas ou

sistemas; As linhas não necessitam de compensação reativa

(cos φ = 1).


Transmissão em CC


Transmissão em CC

• As desvantagens mais marcantes da transmissão em CC são:

• Os custos dos conversores;• Alto consumo de potência reativa no processo de

retificação ou inversão;• Geração de distorções harmônicas e, portanto,

necessidade de filtros;• Necessidade de disjuntores de CC bem como de

equipamentos mais complexos do que os correspondentes em CA para a transmissão entre mais de dois terminais; e

• Alimentação de cargas mais complexa ao longo das rotas de transmissão em CC.


Transmissão em CC


Transmissão em CC

• Os aspectos anteriores, positivos ou negativos, de ambos os tipos de transmissão, direcionam as aplicações da corrente contínua principalmente para:

• A) Interconectar sistemas que têm freqüências diferentes entre si ou interligar redes com mesma freqüência para as quais se deseje ou necessite de operação assíncrona.

• B) Transmissão de potência a distâncias longas ou muito longas por meio de linhas aéreas.

• C) Transmissão por cabos subterrâneos ou subaquáticos.

• D) Controle do fluxo de potência (intercâmbio) em interligações regionais (entre sistemas distintos, entre concessionárias etc.), com o conseqüente controle das freqüências correspondentes.

• E) Combinações das aplicações anteriores num mesmo projeto.


Impactos sócio ambientais

• Os primeiros problemas gerados pela implementação de linhas de transmissão começam com a sua construção e são:

• Desobstrução da faixa e desmatamento para início das obras;

• Escavações para as fundações;

• Montagem das estruturas (movimentação local);

• Implantação de um canteiro de obras; e

• Abertura de estradas de acesso.

• Todas essas atividades influem na vida da população local que nem sempre é beneficiada pela energia transportada.

• O traçado da linha visa ao caminho mais curto e não respeita necessariamente populações e meio ambiente. Outro fator importante no contexto da preservação ambiental é a construção de acessos para as obras e as manutenções constantes das linhas.


Referências

Elgerd, O. Introdução à teoria de sistemas de energia elétrica. Editora McGraw-Hill do Brasil. 1976.

Naturesa, J. A Influência de Compensadores Estáticos de Reativos na Estabilidade de Tensão de Sistemas de Energia Elétrica. Dissertação de Mestrado. Unicamp. 2001.

Reis, L. & Silveira, S. Energia Elétrica para o Desenvolvimento Sustentável. Edusp. 2001.

Stevenson, W. Elementos de Análise de Sistemas de Potência. Editora McGraw-Hill. 1974.

Education

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