teoria gracao transmissao distrib. energia eletrica teoria univ. fed. cearaf

8/6/2019 Teoria Gracao Transmissao Distrib. Energia Eletrica Teoria Univ. Fed. Cearaf

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Profa Ruth Leão Email: [email protected] HP: www.dee.ufc.br/~rleao

Universidade Federa l do Ceará

Centro d e Tec nolog ia

Departamento d e Engenha ria Elétric a

GTD – Geraç ão, Transmissão e

Distribuiç ão de Energ ia Elétric a

2009



Profa Ruth Leão Email: [email protected] HP: www.dee.ufc.br/~rleao

APRESENTAÇÃO

Esta apostila sobre aspectos da geração, transmissão e distribuição deenergia elétrica é o resultado de uma coletânea de notas de aula ematendimento à disciplina de Geração, Transmissão e Distribuição deEnergia Elétrica – GTD, do curso de graduação em Engenharia Elétricada Universidade Federal do Ceará.

A preparação deste compêndio tem por objetivo contribuir na formaçãode estudantes de Engenharia Elétrica abordando assuntos relacionadosaos sistemas de potência. A apostila agrega conhecimento dos diversossegmentos dos sistemas elétricos de potência desde a geração atéutilização da energia elétrica.

Os assuntos abordados foram pesquisados em diversos livros e revistastécnicas, não tendo a pretensão de esgotar todo o conhecimento dosassuntos aqui tratados.

Aos alunos, a iniciativa pretende contribuir de forma efetiva no processoensino-aprendizagem não prescindindo da leitura de outras fontesliterárias especializadas.



Prof a Ruth P.S. Leão Email: [email protected] Homepage: www.dee.ufc.br/~rleao

1-2

Capítulo 1 Introdução aos Sistemas Elétricos de Potência

1.1 Introdução1.2 Objetivos da disciplina1.3 História dos Sistemas Elétricos de Potência1.4 Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro1.5 Estrutura de um Sistema Elétrico de Potência

1.5.1 Geração de Energia Elétrica1.5.2 Rede de Transmissão1.5.3 Rede de Sub-transmissão1.5.4 Rede de Distribuição

1.6 Características do Sistema Elétrico Brasileiro1.6.1 Geração de Energia Elétrica no Brasil1.6.2 Sistema Interligado Nacional1.6.3 Transmissão de Energia Elétrica no Brasil1.6.4 Sistemas de Distribuição no Brasil

1.7 Representação Esquemática de Sistemas de Potência1.7.1 Características dos Sistemas Elétricos de

Potência1.7.2 Representação do Sistema Elétrico

1.8 Tendências para o Mercado de Energia Elétrica




1-3

1.1 Introdução

Na história da sociedade, a energia elétrica, desde a sua descoberta,sempre ocupou lugar de destaque, tendo em vista a dependência daqualidade de vida e do progresso econômico da qualidade do produto edos serviços relacionados à energia elétrica, que por sua vez dependemde como as empresas de eletricidade projetam, operam e mantêm ossistemas elétricos de potência.

Figura 1.1 Importância da eletricidade para a sociedade.

A energia elétrica proporciona à sociedade trabalho, produtividade edesenvolvimento, e aos seus cidadãos conforto, comodidade, bem-estare praticidade, o que torna a sociedade moderna cada vez maisdependente de seu fornecimento e mais suscetível às falhas do sistemaelétrico. Em contrapartida esta dependência dos usuários vem se

traduzindo em exigências por melhor qualidade de serviço e do produto.

A energia elétrica é uma das mais nobres formas de energia secundária.A sua facilidade de geração, transporte, distribuição e utilização, com asconseqüentes transformações em outras formas de energia, atribuem àeletricidade uma característica de universalização, disseminando o seuuso pela humanidade. No mundo de hoje, eletricidade, como alimento emoradia, é um direito humano básico. Eletricidade é a dominante forma

EnergiaElétrica

Qualidadede Serviço edo Produto

Qualidade deVida

DesenvolvimentoEconômico




1-4

de energia moderna para telecomunicações, tecnologia da informação, eprodução de bens e serviços.

Os crescimentos da população mundial e da economia nos países emdesenvolvimento implicam, necessariamente, no aumento do consumode energia, porém a produção de energia deve seguir os conceitos dedesenvolvimento sustentável e de responsabilidade ambiental. O gráficoda Figura 1.2 apresenta o crescimento da geração mundial deeletricidade por combustível, sendo estimado para os próximos 20 anosum crescimento superior a 50% na produção mundial de eletricidade. Aeletricidade é a forma de energia de uso final que mais cresce noperíodo analisado (2006-2030).

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

2006 2010 2015 2020 2025 2030

T r i l l i o n K i l o w a t t h o u r s

Renewables

Coal

Natural Gas

Nuclear

Liquids

Fonte: International Energy Outlook 2009

Figura 1.2 Geração mundial de energia elétrica.

Segundo resultados preliminares do Balanço Energético Nacional –BEN1 2009, ano base 2008, o consumo final energético por fonte está

mostrado na Figura 1.3 onde se observa que a eletricidade representa17,4% do consumo final ficando atrás apenas do óleo diesel – 17,7%,sendo, portanto a segunda forma de energia mais consumida no país.

1 O BEN apresenta a contabilidade relativa à oferta e ao consumo de todas as formas energia no Brasil, contemplando asatividades de extração de recursos energéticos primários, sua conversão em formas secundárias, a importação e a exportação,a distribuição e o uso final da energia.

18,0

20,6

23,2

26,0

28,9

31,8




1-5

¹ Inclui apenas gasolina A (automotiva)2 Outras Fontes Inclui lixívia, óleo combustível, gás de refinaria, coque de carvão mineral e carvão vegetal, dentreoutros

Fonte: Balanço Energético Nacional – BEN 2009 – Resultados Preliminares. Figura 1.3 Consumo final energético por fonte no Brasil em 2009.

No Brasil, dentre as fontes primárias e secundárias de energia a fontehidráulica é a que mais contribui para produção de energia elétrica(73,1%) estando os locais produtores em regiões quase sempredistantes dos centros consumidores (Figura1.4). Com isso sãonecessárias grandes extensões de linhas de transmissão e instalaçõespara repartir e distribuir a energia nos centros de consumo.




1-6

(*) Inclui lenha, bagaço de cana, lixívia e outras recuperações.

Fonte: Balanço Energético Nacional 2009 – Resultados Preliminares. Figura 1.4 Estrutura da oferta de energia elétrica no Brasil em 2008.

A eletricidade apresenta uma combinação de atributos que a tornadistinta de outros produtos, como:

− dificuldade de armazenamento em termos econômicos;− variações em tempo real na demanda, e na produção em caso de

fontes renováveis;− falhas randômicas em tempo real na geração, transmissão e

distribuição; e− necessidade de atender as restrições físicas para operação

confiável e segura da rede elétrica.

As condições de não armazenamento e de não violação das restriçõesoperativas impõem à eletricidade sua produção no momento exato emque é requerida ou consumida fazendo com que o dimensionamento do

sistema elétrico seja determinado pelo nível máximo de energiademandada, resultando em ociosidade dessas instalações durante operíodo de menor demanda.

O atendimento dos aspectos de simultaneidade de produção e consumo,exigindo instalações dimensionadas para a ponta de carga, e a longadistância entre os locais de geração e os centros consumidores pode sertraduzido pela necessária existência de um sistema de transmissão e dedistribuição longos e complexos, apoiados por uma estrutura de




1-7

instalações e equipamentos que, além de representar importantesinvestimentos, exigem ações permanentes de planejamento, operação e

manutenção, e estão como qualquer produto tecnológico sujeito à falhas.Os sistemas elétricos são tipicamente divididos em segmentos como:geração, transmissão, distribuição, utilização e comercialização. A ofertada energia elétrica aos seus usuários é realizada através da prestaçãode serviço público concedido para exploração à entidade privada ougovernamental. As empresas que prestam serviço público de energiaelétrica o fazem por meio da concessão ou permissão concedidos pelopoder público.

A disciplina de sistemas de energia elétrica apresenta uma visãopanorâmica da estrutura organizacional do setor elétrico nacional e decada um dos segmentos dos sistemas de potência.

1.2 Objetivos da disciplina

a) Apresentar a estrutura organizacional do setor elétrico brasileiro, seusagentes e funções.

b) Apresentar os principais componentes de um sistema elétrico depotência, suas funções e princípio de operação dos elementos.

c) Apresentar modelos de representação do sistema elétrico e de seuscomponentes: circuito equivalente, representação unifilar, sistema porunidade.

d) Apresentar modelos típicos de:

−

Usinas de Geração: tipos, componentes, operação.− Subestações: equipamentos, arranjos.

− Sistemas de Transmissão: parâmetros elétricos, modelos de linha,capacidade de transporte.

− Sistemas de Distribuição: equipamentos de rede, característica dacarga, medição, tarifa.




1-8

d) Apresentar a automação dos sistemas elétricos de potência:hierarquia organizacional dos sistemas elétricos, arquitetura do

sistema de automação, funções de supervisão e controle.

1.3 História dos Sistemas Elétricos de Potência

Muito da tecnologia hoje em uso deve-se a grandes pioneiros eempreendedores da eletricidade. Seus nomes e feitos são aquiregistrados como tributo de reconhecimento pela grande constribuição.

JJaammeess WWaatttt 11773366 – – 11881199 ((EEssccooccêêss)) −− Mecânico, concebeu o princípio da máquina a vapor,

que possibilitou a revolução industrial. −− A unidade de potência útil foi dada em sua

homenagem (watt).

AAlleessssaannddrroo VVoollttaa 1745 - 1827 (Italiano)

− Em 1800 anunciou a invenção da bateria.− A unidade de força eletromotriz foi criada em sua

homenagem (volt).

AAnnddrréé MMaarriiee AAmmppèèrree 1775 - 1836 (Francês)− Iniciou pesquisa em 1820 sobre campos elétricos e

magnéticos a partir do anunciado de Oersted (Oe –intensidade de campo magnético).

− Descobriu que as correntes agiam sobre outrascorrentes.

− Elaborou completa teoria experimental e matemáticalançando as bases do eletromagnetismo.

− A unidade de corrente elétrica foi escolhida em suahomenagem (ampère).

GGeeoorrgg SSiimmoonn OOhhmm 1789-1854 (Alemão)− Em 1827 enunciou a lei de Ohm.− Seu trabalho só foi reconhecido pelo mundo científico

em 1927.− As unidades de resistência, reatância e impedância

elétrica foram escolhidas em sua homenagem (ohm).




1-9

MMiicchhaaeell FFaarraaddaayy 1791-1867 (Inglês)− Físico e químico, em 1831 descobriu a indução

eletromagnética.− Constatou que o movimento de um imã através de uma

bobina de fio de cobre causava fluxo de corrente nocondutor.

− Estabeleceu o princípio do motor elétrico.− Considerado um dos maiores experimentalistas de

todos os tempos.− A unidade de capacitância é em sua homenagem (F).

JJoo

ssee

pp

hh

HH

ee

nn

rryy 1797-1878 (Americano)

− Descobriu a indutância de uma bobina.− Em sua homenagem seu nome foi dado à unidade de

indutância (henry).

GGuussttaavv RRoobbeerrtt KKiirrcchhhhooffff 1824–1887 (Alemão)− Em 1847 anunciou as leis de Kirchhoff para correntes e

tensões.

TThhoommaass AAllvvaa EEddiissoonn 1847-1931 (Americano)− Em 1879 inventou a lâmpada elétrica.− Patenteou 1100 invenções: cinema, gerador elétrico,

máquina de escrever, etc.− Criou a Edison General Electric Company.− Foi sócio da ‘General Electric Company’.

− Instalou em 1882 a primeira usina de geração deenergia elétrica do mundo com fins comerciais, na áreade Wall Street, Distrito Financeiro da cidade de NewYork. A Central gerava em corrente contínua, com seisunidades geradoras com potência total de 700 kW,para alimentar 7200 lâmpadas em 110 V. O primeiroprojeto de êxito de central elétrica havia sido instaladono mesmo ano em Londres, com capacidade de




1-10

geração para 1000 lâmpadas2.

WWiilllliiaamm SSttaannlleeyy 1858-1968 ((AAmmeerriiccaannoo)) – Em 1885/6 desenvolveu comercialmente o

transformador.

NNiikkoollaa TTeessllaa 1856-1943 (Croata-Americano)− Em 1888 inventou dos motores de indução e síncrono.

− Inventor do sistema polifásico.− Responsável pela definição de 60 Hz como freqüênciapadrão nos EUA.

− A unidade para densidade de fluxo magnético é em suahomenagem (T).

GGeeoorrggee WWeessttiinngghhoouussee 1846-1914 (Americano)− Inventor do disjuntor a ar.− Comprou a patente do recém inventado transformador

dos ingleses Lucien Gaulard e John D. Gibbs.− Comprou a patente do motor elétrico de Tesla.− Em 1886 organizou a Westinghouse Electric Company.− Venceu a batalha das correntes contra Edison.

1.4 Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro

O setor elétrico mundial tem passado por amplo processo de re-estruturação organizacional. No modelo atual os sistemas elétricos são

tipicamente divididos em segmentos como: geração, transmissão,distribuição, e comercialização.

No Brasil, este processo de re-estruturação foi desencadeado com acriação de um novo marco regulatório, a desestatização das empresasdo setor elétrico, e a abertura do mercado de energia elétrica.

2War of Currents (http://en.wikipedia.org/wiki/War_of_Currents)




1-11

Para gerenciar este novo modelo do setor elétrico, o Governo Federalcriou a estrutura organizacional apresentada na Figura 1.5 e definida a

seguir.

Fonte: ANEEL

Figura 1.5 Estrutura organizacional e os agentes do setor elétrico brasileiro.

a) Conselho Nacional de Política Energética – CNPE

Órgão de assessoramento do Presidente da República para formulaçãode políticas nacionais e diretrizes de energia, visando, dentre outros, oaproveitamento natural dos recursos energéticos do país, a revisãoperiódica da matriz energética e a definição de diretrizes para programasespecíficos.

b) Ministério de Minas e Energia – MME

Encarregado de formulação, do planejamento e da implementação deações do Governo Federal no âmbito da política energética nacional. OMME detém o poder concedente.

c) Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico – CMSE

Constituído no âmbito do MME e sob sua coordenação direta, com afunção precípua de acompanhar e avaliar permanentemente a




1-12

continuidade e a segurança do suprimento eletro energético em todo oterritório.

d) Empresa de Pesquisa Energética - EPE

Empresa pública federal vinculada ao MME tem por finalidade prestarserviços na área de estudos e pesquisas destinados a subsidiar oplanejamento do setor energético.

e) Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL

Autarquia vinculada ao MME, com finalidade de regular a fiscalização, aprodução, transmissão, distribuição e comercialização de energia, em

conformidade com as políticas e diretrizes do Governo Federal. AANEEL detém os poderes regulador e fiscalizador.

f) Operador Nacional do Sistema Elétrico - ONS

Pessoa jurídica de direito privado, sem fins lucrativos, sob regulação efiscalização da ANEEL, tem por objetivo executar as atividades decoordenação e controle da operação de geração e transmissão, noâmbito do SIN (Sistema Interligado Nacional). O ONS é responsável pelaoperação física do sistema e pelo despacho energético centralizado.

g) Câmara de Comercialização de Energia Elétrica - CCEE

Pessoa jurídica de direito privado, sem fins lucrativos, sob regulação efiscalização da ANEEL, com finalidade de viabilizar a comercialização deenergia elétrica no Sistema Interligado Nacional - SIN. Administra oscontratos de compra e venda de energia elétrica, sua contabilização eliquidação. A CCEE é responsável pela operação comercial do sistema.

A comercialização de energia elétrica é atualmente realizada em dois

ambientes diferentes:- Ambiente de Contratação Livre (ACL): destinado ao atendimento deconsumidores livres3 por meio de contratos bilaterais firmados comprodutores independentes de energia, agentes comercializadores ougeradores estatais. Estes últimos só podem fazer suas ofertas por meiode leilões públicos.

3Consumidor livre: consumidor que pode optar pela compra de energia elétrica junto a qualquer fornecedor, que

é atendido em qualquer tensão e com demanda contratada mínima de 3MW. (Resolução ANEEL No. 264 e 456).




1-14

j) Agentes Setoriais

Agentes relacionados ao setor de energia elétrica (Tabela 1.1).

Tabela 1.1. Associações Setoriais de Energia Elétrica.

ABRAGE Associação Brasileira das Empresas Geradoras de EnergiaElétrica.Empresas associadas: AES TIETÊ, CDSA, CEMIG, CESP, CEEE,DUKE-GP, CHESF, COPEL, ELETRONORTE, EMAE, FURNAS, LIGHT,TRACTEBEL ENERGIA

ABRATE Associação Brasileira de Grandes Empresas deTransmissão de Energia Elétrica.Empresas associadas: CEMIG, CTEEP, CHESF, COPEL TransmissãoS.A, ELETRONORTE, Furnas Centrais Elétricas AS, Companhia Estadual deGeração e Transmissão de Energia Elétrica - CEEE GT, ELETROSUL CentraisElétricas S.A.

ABRADEE Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica.Empresas associadas (48 dentre as 67 concessionárias dedistribuição): AES SUL DISTRIBUIDORA GAÚCHA DE ENERGIA S.A.;AMPLA - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO RIO DE JANEIRO;BANDEIRANTE ENERGIA S.A.; BOA VISTA ENERGIA S.A.; COMPANHIA DEELETRICIDADE DA BORBOREMA; EMPRESA ELÉTRICA BRAGANTINA;CAIUA SERVIÇOS DE ELETRICIDADE S.A.; COMPANHIA FORÇA E LUZCATAGUAZES LEOPOLDINA; CEAL - COMPANHIA ENERGÉTICA DEALAGOAS; CEAM - COMPANHIA ENERGÉTICA DO AMAZONAS (incorporadapela Manaus Energia S.A. (MASA); CEB - COMPANHIA ENERGÉTICA DEBRASÍLIA; CEEE - COMPANHIA ESTADUAL DE ENERGIA ELÉTRICA; CELESC - CENTRAIS ELÉTRICAS DE SANTA CATARINA S.A.; CELG - COMPANHIAENERGÉTICA DE GOIÁS; CELPA - CENTRAIS ELÉTRICAS DO PARÁ S.A.;CELPE - COMPANHIA ENERGÉTICA DE PERNAMBUCO; CELTINS -COMPANHIA DE ENERGIA ELÉTRICA DO ESTADO DO TOCANTINS; CEMAR -COMPANHIA ENERGÉTICA DO MARANHÃO; CEMAT - CENTRAIS ELÉTRICASMATOGROSSENSES S.A.; CEMIG - COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINASGERAIS; CENF - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DE NOVA FRIBURGO;CEPISA - COMPANHIA ENERGÉTICA DO PIAUÍ; CERON - CENTRAISELÉTRICAS DE RONDÔNIA S.A; CFLO - COMPANHIA FORÇA E LUZ DOOESTE; CHESP - COMPANHIA HIDROELÉTRICA SÃO PATRÍCIO; COELBA -COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO ESTADO DA BAHIA; COELCE -

COMPANHIA ENERGÉTICA DO CEARÁ; COPEL - COMPANHIA PARANAENSEDE ENERGIA; COSERN - COMPANHIA ENERGÉTICA DO RIO GRANDE DONORTE; CPEE - COMPANHIA PAULISTA DE ENERGIA ELÉTRICA; CPFL -COMPANHIA PAULISTA DE FORÇA E LUZ; DEM – P.CALDAS -DEPARTAMENTO MUNICIPAL DE ELETRICIDADE DE POÇOS DE CALDAS;ELEKTRO - ELEKTRO ELETRICIDADE E SERVIÇOS S.A; ELETROACRE -COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO ACRE; ELETROCAR - CENTRAISELÉTRICAS DE CARAZINHO S.A.; ELETROPAULO - ELETROPAULOMETROPOLITANA ELETRICIDADE DE SÃO PAULO S.A.; ENERGIPE -EMPRESA ENERGÉTICA DE SERGIPE S.A.; ENERSUL - EMPRESAENERGÉTICA DE MATO GROSSO DO SUL S.A.; ESCELSA - ESPÍRITO SANTOCENTRAIS ELÉTRICAS S.A.; IGUAÇU DISTRIBUIDORA DE ENERGIAELÉTRICA LTDA.; LIGHT SERVIÇOS DE ELETRICIDADE S.A.; MANAUS




1-15

ENERGIA S.A.; COMPANHIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA;HIDROELÉTRICA PANAMBI S. A.; EMPRESA DE ELETRICIDADE VALEPARANAPANEMA S.A.; COMPANHIA PIRATININGA DE FORÇA E LUZ; RGE -

RIO GRANDE ENERGIA S.A.; SAELPA - SOCIEDADE ANÔNIMA DEELETRIFICAÇÃO DA PARAÍBA; EMPRESA LUZ E FORÇA SANTA MARIA S.A.;SULGIPE - COMPANHIA SUL SERGIPANA DE ELETRICIDADE.

ABEER Associação Brasileira das Empresas de Energia RenovávelABRACEEL Associação Brasileira dos Agentes Comercializadores de

Energia ElétricaABRACEE Associação Brasileira de Grandes Consumidores

Industriais de Energia e de Consumidores LivresAPINE Associação Brasileira dos Produtores Independentes de

Energia Elétrica - Os produtores independentes (PIEs) são

empresas ou grupo de empresas reunidas em consórcio,com autorização ou concessão para produzir energiadestinada ao comércio de toda ou parte da produção porsua conta e risco. Os PIs têm como garantia o livre acessoaos sistemas elétricos, além disso, têm autonomia parafechar contratos bilaterais de compra e venda de energiaelétrica.

1.5 Estrutura de um Sistema Elétrico de Potência

O objetivo de um sistema elétrico de potência (SEP) é gerar, transmitir edistribuir energia elétrica atendendo a determinados padrões deconfiabilidade, disponibilidade, qualidade, segurança e custos, com omínimo impacto ambiental e o máximo de segurança pessoal.

– Confiabilidade e disponibilidade são duas importantes e distintascaracterísticas que os SEPs devem apresentar. Ambos sãoexpressos em %.

o Confiabilidade representa a probabilidade de

componentes, partes e sistemas realizarem suasfunções requeridas por um dado período de tempo semfalhar. Confiabilidade representa o tempo que ocomponente, parte ou sistema levará para falhar. Aconfiabilidade não reflete o tempo necessário para aunidade em reparo retornar à condição de trabalho.

o Disponibilidade é definida como a probabilidade que osistema esteja operando adequadamente quando




1-16

requisitado para uso. Em outras palavras, é aprobabilidade de um sistema não estar com falha ou em

reparo quando requisitado para uso. A expressãoabaixo quantifica a disponibilidade:

MTBF A

MTBF MTTR=

+(1)

A – availability (disponibilidade)MTBF – tempo médio entre falhas ou MTTFMTTR – tempo médio para reparo - inclui desde adetecção até a retificação da falha.

A disponibilidade é função da confiabilidade e damanutenabilidade – exercício da manutenção. Se umsistema tem uma alta disponibilidade nãonecessariamente terá uma alta confiabilidade.

Tabela 1.2 Relação entre confiabilidade, manutenabilidade e disponibilidade. [Fonte: http://www.weibull.com/hotwire/issue26/relbasics26.htm]

Confiabilidade Manutenabilidade DisponibilidadeConstante Diminuir DiminuirConstante Aumentar AumentarAumentar Constante AumentarDiminuir Constante Diminuir

Como pode ser visto na Tabela 1.2, se a confiabilidadeé mantida constante, mesmo em um valor alto, isto nãoimplica diretamente uma alta disponibilidade. Quando otempo para reparo aumenta, a disponibilidade diminui.Mesmo um sistema com uma baixa confiabilidade

poderia ter uma alta disponibilidade se o tempo parareparo é curto.

– Qualidade da energia é a condição de compatibilidade entresistema supridor e carga atendendo critérios de conformidadesenoidal.

– Segurança está relacionado com a habilidade do sistema deresponder a distúrbios que possam ocorrer no sistema. Em geral




1-17

os sistemas elétricos são construídos para continuar operandoapós ser submetido a uma contingência.

A estrutura do sistema elétrico de potência compreende os sistemas degeração, transmissão, distribuição e subestações de energia elétrica, emgeral cobrindo uma grande área geográfica.

Figura 1.7 Estrutura básica de um sistema elétrico.

O sistema atual de energia elétrica é baseado em grandes usinas degeração que transmitem energia através de sistemas de transmissão dealta tensão, que é então distribuída para sistemas de distribuição demédia e baixa tensão. Em geral o fluxo de energia é unidirecional e aenergia é despachada e controlada por centro(s) de despacho com baseem requisitos pré-definidos.

Normalmente os sistemas de distribuição são gerenciados pormonopólios empresariais, enquanto o setor de geração e de transmissãoapresenta certa competitividade em um sistema desverticalizado.

A Figura 1.8 ilustra os três segmentos tradicionais de redes de energiaelétrica.




1-18

Figura 1.8 Estrutura tradicional de uma rede de energia elétrica. [Fonte: Aneel].

1.5.1 Geração de Energia ElétricaNa geração de energia elétrica uma tensão alternada é produzida, a qualé expressa por uma onda senoidal, com freqüência fixa e amplitude quevaria conforme a modalidade do atendimento em baixa, média ou altatensão. Essa onda senoidal propaga-se pelo sistema elétrico mantendo afreqüência constante e modificando a amplitude à medida que trafegue

por transformadores. Os consumidores conectam-se ao sistema elétricoe recebem o produto e o serviço de energia elétrica.

1.5.2 Rede de Transmissão

A rede de transmissão liga as grandes usinas de geração às áreas degrande consumo. Em geral apenas poucos consumidores com um altoconsumo de energia elétrica são conectados às redes de transmissãoonde predomina a estrutura de linhas aéreas.

A segurança é um aspecto fundamental para as redes de transmissão.Qualquer falta neste nível pode levar a descontinuidade de suprimentopara um grande número de consumidores. A energia elétrica épermanentemente monitorada e gerenciada por um centro de controle. Onível de tensão depende do país, mas normalmente o nível de tensãoestabelecido está entre 220 kV e 765 kV.




1-19

1.5.3 Rede de Sub-Transmissão

A rede de sub-transmissão recebe energia da rede de transmissão comobjetivo de transportar energia elétrica a pequenas cidades ouimportantes consumidores industriais. O nível de tensão está entre 35 kVe 160 kV.

Em geral, o arranjo das redes de sub-transmissão é em anel paraaumentar a segurança do sistema. A estrutura dessas redes é em geralem linhas aéreas, por vezes cabos subterrâneos próximos a centrosurbanos fazem parte da rede. A permissão para novas linhas aéreas estácada vez mais demorada devido ao grande número de estudos deimpacto ambiental e oposição social. Como resultado, é cada vez maisdifícil e caro para as redes de sub-transmissão alcançar áreas de altadensidade populacional. Os sistemas de proteção são do mesmo tipodaqueles usados para as redes de transmissão e o controle é regional.

1.5.4 Redes de Distribuição

As redes de distribuição alimentam consumidores industriais de médio epequeno porte, consumidores comerciais e de serviços e consumidoresresidenciais.

Os níveis de tensão de distribuição são assim classificados segundo oProdist:

− Alta tensão de distribuição (AT): tensão entre fases cujo valor eficaz éigual ou superior a 69kV e inferior a 230kV.

− Média tensão de distribuição (MT): tensão entre fases cujo valoreficaz é superior a 1kV e inferior a 69kV.

− Baixa tensão de distribuição (BT): tensão entre fases cujo valor eficaz

é igual ou inferior a 1kV.De acordo com a Resolução No456/2000 da ANEEL e o módulo 3 doProdist, a tensão de fornecimento para a unidade consumidora se daráde acordo com a potência instalada:

− Tensão secundária de distribuição inferior a 2,3kV: quando a cargainstalada na unidade consumidora for igual ou inferior a 75 kW;




1-20

− Tensão primária de distribuição inferior a 69 kV: quando a cargainstalada na unidade consumidora for superior a 75 kW e a demanda

contratada ou estimada pelo interessado, para o fornecimento, forigual ou inferior a 2.500 kW;

− Tensão primária de distribuição igual ou superior a 69 kV: quando ademanda contratada ou estimada pelo interessado, para ofornecimento, for superior a 2.500 kW.

As tensões de conexão padronizadas para AT e MT são: 138 kV (AT), 69kV (AT), 34,5 kV (MT) e 13,8 kV (MT). O setor terciário, tais comohospitais, edifícios administrativos, pequenas indústrias, etc, são os

principais usuários da rede MT.A rede BT representa o nível final na estrutura de um sistema depotência. Um grande número de consumidores, setor residencial, éatendido pelas redes em BT. Tais redes são em geral operadasmanualmente.

Tabela 1.3 Tensões Nominais Padronizadas de Baixa Tensão – Prodist Módulo 3

A Figura 1.9 mostra um diagrama com a representação dos váriossegmentos de um sistema de potência com seus respectivos níveis detensão.




1-21

Figura 1.9 Faixas de tensão de sistemas elétricos.

Os níveis de tensões praticados no Brasil são: 765 kV, 525 kV, 500 kV,440 kV, 345 kV, 300 kV, 230 kV, 161 kV, 138 kV, 132 kV, 115 kV, 88 kV,

69 kV, 34,5 kV, 23 kV, 13,8 kV, 440 V, 380 V, 220 V, 110 V.

1.6 Características do Sistema Elétrico Brasileiro

1.6.1 Geração de Energia Elétrica no Brasil

O sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil podeser classificado como hidrotérmico de grande porte, com fortepredominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários.

A maior parte da capacidade instalada é composta por usinashidrelétricas, que se distribuem em 12 diferentes bacias hidrográficasnas diferentes regiões do país de maior atratividade econômica. São oscasos das bacias dos rios Tocantins, Paranaíba, São Francisco,Paranaíba, Grande, Paraná, Tietê, Paranapanema, Iguaçu, Uruguai eJacuí onde se concentram as maiores centrais hidrelétricas.

Classificação:Acima de 765 kV (UAT)230kV<V≤765kV (EAT)35 kV <V≤ 230kV (AT)1 kV<V≤ 35 kV (MT)V ≤ 1000 V (BT)




1-22

[Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/mapas_sin.aspx#]

Figura 1.10 Integração eletroenergética no Brasil.

Os reservatórios nacionais situados em diferentes bacias hidrográficas,que não têm nenhuma ligação física entre si, funcionam como se fossemvasos comunicantes interligados por linhas de transmissão.

A capacidade de geração do Brasil em 2008 é de 104.851.356 kW depotência, com um total de total 2.100 empreendimentos em operação.

Figura 1.11 Participação de fontes de geração no Brasil4. [Fonte: Annel]




1-23

Os dez agentes de maior capacidade instalada no país são

apresentados na Tabela 1.4.Tabela 1.4 Maiores agentes de capacidade instalada no Brasil

(Usinas em Operação). Fonte: Aneel

Nº Agentes do Setor Potência Instalada(kW)

1º Companhia Hidro Elétrica do SãoFrancisco CHESF 10.618.327

2º Furnas Centrais Elétricas S/A. FURNAS 9.456.900

3º Centrais Elétricas do Norte do Brasil S/A.

ELETRONORTE

9.256.933,10

4º Companhia Energética de São PauloCESP 7.455.300

5º Itaipu Binacional ITAIPU 7.000.0006º Tractebel Energia S/ATRACTEBEL 6.965.350

7º CEMIG Geração e Transmissão S/ACEMIG-GT 6.782.134

8º Petróleo Brasileiro S/APETROBRÁS 4.832.276,60

9º Copel Geração e TransmissãoS.A.COPEL-GT 4.544.914

10º AES Tietê S/AAES TIETÊ 2.645.050

1.6.2 Sistema Interligado Nacional - SIN

O parque gerador nacional é constituído, predominantemente, decentrais hidrelétricas de grande e médio porte, instaladas em diversaslocalidades do território nacional. Por outro lado, existe umaconcentração de demanda em localidades industrializadas onde não seconcentram as centrais geradoras. Estas características são imperativas

para a implantação de um sistema de transmissão de longa distância.Até 1999, o Brasil possuía vários sistemas elétricos desconectados, oque impossibilitava uma operação eficiente das bacias hidrográficasregionais e da transmissão de energia elétrica entre as principais usinasgeradoras. Com o objetivo de ampliar a confiabilidade, otimizar osrecursos energéticos e homogeneizar mercados foi criado o sistema

4 Legenda: CGH Central Geradora Hidrelétrica (até 1MW); EOL Central Geradora Eolielétrica; PCH Pequena Central

Hidrelétrica (de 1MW a 30MW); SOL Central Geradora Solar Fotovoltaica; UHE Usina Hidrelétrica de Energia; UTE UsinaTermelétrica de Energia; UTN Usina Termonuclear.




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interligado nacional - SIN, o qual é responsável por mais de 95% dofornecimento nacional. Sua operação é coordenada e controlada pelo

Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS.

A Operação Nacional do Sistema Elétrico através do ONS concentra suaatuação sobre a Rede de Operação do Sistema Interligado Nacional. ARede de Operação é constituída pela Rede Básica, Rede Complementar,e Usinas submetidas ao despacho centralizado, sendo a RedeComplementar aquela situada fora dos limites da Rede Básica e cujosfenômenos têm influência significativa nesta.

Figura 1.12 Redes de operação do sistema interligado nacional [Fonte: ONS].

O sistema interligado de eletrificação permite que as diferentes regiõespermutem energia entre si, quando uma delas apresenta queda no níveldos reservatórios. Como o regime de chuvas é diferente nas regiões Sul,Sudeste, Norte e Nordeste, os grandes troncos (linhas de transmissão damais alta tensão: 500 kV ou 750 kV) possibilitam que os pontos comprodução insuficiente de energia sejam abastecidos por centros degeração em situação favorável.




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Figura 1.13 Exemplo de sistema elétrico interligado.

Vantagens dos sistemas interligados: Aumento da estabilidade – sistema torna-se mais robusto podendo

absorver, sem perda de sincronismo, maiores impactos elétricos.

Aumento da confiabilidade – permite a continuidade do serviço emdecorrência da falha ou manutenção de equipamento, ou aindadevido às alternativas de rotas para fluxo da energia.

Aumento da disponibilidade do sistema – a operação integradaacresce a disponibilidade de energia do parque gerador em relaçãoao que se teria se cada empresa operasse suas usinas isoladamente.

Mais econômico – permite a troca de reservas que pode resultar emeconomia na capacidade de reservas dos sistemas. O intercâmbio deenergia está baseado no pressuposto de que a demanda máxima dossistemas envolvidos acontece em horários diferentes. O intercâmbiopode também ser motivado pela importação de energia de baixo custode uma fonte geradora, como por exemplo, a energia hidroelétricapara outro sistema cuja fonte geradora apresenta custo mais elevado.

Desvantagens dos sistemas interligados: Distúrbio em um sistema afeta os demais sistemas interligados. A operação e proteção tornam-se mais complexas.

Sistema ASistema B

Sistema C Sistema DSistema E




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1.6.3 Transmissão de Energia Elétrica no Brasil

As linhas de transmissão no Brasil costumam ser extensas, porque as

grandes usinas hidrelétricas geralmente estão situadas a distânciasconsideráveis dos centros consumidores de energia. Hoje o país estáquase que totalmente interligado, de norte a sul.

As principais empresas investidoras em linhas de transmissão no paísestão relacionadas na Tabela 1.5.

Tabela 1.5 Maiores transmissores do país – Extensão de linhas (km)Fonte ABRATE Maio/2008

Nº Agentes do Setor km de linhas

1º FURNAS 19.0822º CTEEP 18.4953º CHESF 18.2604º Eletrosul 10.6935º Eletronorte 7.8566º CEEE 6.0087º CEMIG 4.8758º COPEL 1.766

Apenas o Amazonas, Roraima, Acre, Amapá, Rondônia e parte dos

Estados do Pará ainda não fazem parte do sistema integrado deeletrificação. Nestes Estados, o abastecimento é feito por pequenasusinas termelétricas ou por usinas hidrelétricas situadas próximas àssuas capitais.

No Brasil, a interligação do sistema elétrico liga as diferentes regiões dopaís como pode ser visto no mapa da Figura 1.14 que apresenta oSistema de Transmissão Nacional.




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[Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/mapas_sin.aspx#]

Figura 1.14 Sistema de transmissão brasileiro [Fonte: Aneel].

Sistema norte – centro-oeste → o primeiro circuito de interligação,

conhecido por Linhão Norte-Sul, foi construído em 500 kV, com 1.277km de extensão, capacidade de transmissão de 1100MW e comtransferência média de 600MW, o que representou o acréscimo deuma usina de 600MW para o sistema sul-sudeste brasileiro. Embora ainterligação seja conhecida como ‘ligação norte-sul’ o circuito interligao estado de Tocantins ao Distrito Federal. Em março de 2004 foiinaugurado o segundo circuito de interligação norte-sul II, com 1278km de extensão, operando em 500 kV, passando pelas SE Imperatriz,no Maranhão, Colinas, Miracema e Gurupi, no Tocantins, Serra da




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Mesa em Goiás, e Samambaia em Brasília. Os circuitos em 500kVtransmitem energia da UHE Luis Eduardo Magalhães – Lajeado,

localizada no rio Tocantins, entre os municípios de Lajeado eMiracema do Tocantins com potência instalada de 902,5 MW. A UHELajeado é o maior empreendimento de geração realizado pelainiciativa privada no Brasil.

Expansão da linha de transmissão Interligação Norte-Sul (Centro-oeste-Sudeste) com tensão de 500 kV. Essa linha interliga assubestações de Samambaia (DF), Itumbiara (GO) e Emborcação(SP). A linha permitirá o escoamento, para a região Sudeste, daenergia gerada pelas usinas de Lajeado (TO), Cana Brava (GO), e 2a

etapa de Tucuruí (PA).

Sistema interligado sudeste – centro-oeste → concentra pelo menos60% da demanda de energia no Brasil.

Sistema sul – sudeste → com energia transferida da usina de Itaipu (2circuitos em CC em 600kV ligando a usina a São Roque (SP), 2circuito 765kV ligando a usina a Tijuco Preto).

Sistema nordeste → hoje a região Nordeste importa energia elétricadas hidrelétricas de Lajeado, em Tocantins, Cana Brava, em Goiás, eTucuruí I e II, no Pará.

Grande parte da região norte e uma parcela reduzida da região centro-oeste, além de algumas pequenas localidades esparsas pelo territóriobrasileiro, ainda não fazem parte do sistema interligado, sendo osuprimento de energia elétrica efetuado, quando existente, por meio depequenos sistemas elétricos isolados. Nesses casos, a produção deeletricidade é normalmente efetuada por meio de unidades geradoras depequeno porte, utilizando freqüentemente motores Diesel comoequipamento motriz. A existência desses sistemas isolados, em algumassituações, como é o caso dos sistemas das cidades de Manaus, BoaVista (Roraima) e Porto Velho (Rondônia), assumem proporções derelativa significância, com demandas superiores a 100MW, em grandeparte responsáveis pela predominância da geração termelétrica a diesel.




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Para atender às políticas externa e energética, o Brasil está interligadoaos países vizinhos como Venezuela (para fornecimento a Manaus e

Boa Vista), Argentina, Uruguai, e Paraguai.

1.6.4 Sistemas de Distribuição no Brasil

Os sistemas de distribuição de energia elétrica no Brasil incluem todasas redes e linhas de distribuição de energia elétrica em tensão inferior a230 kV, seja em baixa tensão (BT), média tensão (MT) ou alta tensão(AT).– Alta tensão (AT): Tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou

superior a 69 kV e inferior a 230 kV, ou instalações em tensão igual

ou superior a 230 kV quando especificamente definidas pela ANEEL.– Média tensão (MT): Tensão entre fases cujo valor eficaz é superior a

1 kV e inferior a 69 kV.– Baixa tensão (BT): Tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou

inferior a 1 kV.

Tabela 1.6 Dez Maiores agentes de distribuição do país (por consumo)Fonte ABRADEE Dez/2007

Nº EmpresaConsumo em

GWh1º Eletropaulo 32.5482º Cemig 20.6933º CPFL 18.8664º Copel 18.5235º Light 18.2356º Celesc 13.8297º Coelba 11.4038º Elektro 10.0559º Celpe 8.171

10º Piratininga 8.015

1.7 Representação Esquemática de Sistemas de Potência

Os símbolos para representação dos componentes elétricos sãoapresentados na Figura 1.15.




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Figura 1.15 Símbolos de componentes elétricos.

1.7.1 Características dos Sistemas Elétricos de Potência

Os Sistemas Elétricos de Potência apresentam as seguintescaracterísticas:

Normalmente são trifásicos;




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Apresentam um grande número de componentes; Possuem transformadores que particionam o sistema em seções de

diferentes níveis de tensão.1.7.2 Representação do Sistema Elétrico

Os sistemas elétricos podem ser representados graficamente através de:

- Diagramas Unifilares- Diagramas Multifilares- Diagrama Equivalente por Fase

a) Diagrama Unifilar

- Representa os principais componentes por símbolos e suasinterconexões com a máxima simplificação e omissão do condutorneutro.

- Representa apenas uma fase do sistema.- Representam sistemas monofásicos ou trifásicos.

Na Figura 1.16 é apresentado um diagrama unifilar simplificado de umsistema elétrico de potência.

LEGENDA:G – GeraçãoD – Equipamento de DisjunçãoSE 1 – Subestação ElevadoraSE 2 – Subestação DistribuidoraLT – Linha de TransmissãoC – Carga ou Consumidor

Figura 1.16 Diagrama unifilar simplificado de um SEP.

G

Sistema de Geração

Sistema de

Distribuição

Sistema de Transmissão

LT

SE 2SE 1

DDD D~




1-33

Conforme apresentado na Figura 1.17, cada elemento de um sistemaelétrico deve ser protegido através de um sistema de proteção.

Figura 1.17 Proteção de um alimentador de subestação.

b) Diagrama Multifilar

Os diagramas multifilares podem ser bifásicos ou trifásicos. As Figuras1.18 e 1.19 ilustram um diagrama trifilar, representando um circuito desaída de linha e uma linha de transmissão interligando subestações,respectivamente.

Figura 1.18 Saída de um circuito de uma subestação de sub-trasmissão.




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Figura 1.19 Diagrama trifilar de uma LT interligando subestaçõescom proteção sobrecorrente direcional função 67.

c) Diagrama Equivalente Por Fase

Representa as grandezas normalizadas. Simplifica a análise numérica. Elimina o efeito particionador dos transformadores. Usado para mostrar os dados de impedância de geradores, linhas,

transformadores, capacitores, cabos, etc.

Figura 1.20 Diagrama unifilar de sistema elétrico de potência.




1-35

Figura 1.21 Diagrama de impedâncias.

As impedâncias são usadas para cálculos de queda-de-tensão, curto-circuito, carregamento de circuitos, etc.

Figura 1.22 Diagrama unifilar, trifilar e de impedância.




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Aplicação:

Um sistema trifásico é alimentado em 60 Hz por uma fonte ca em 2400 Vtensão de linha, que supre duas cargas paralelas:Carga 1: 300kVA FPD= 0.8 atrasadoCarga 2: 240kVA FPD= 0.6 adiantado

Construa diagrama unifilar do sistema. Qual o valor da corrente nasoutras duas fases?

1.8 Tendências para o Mercado de Energia Elétrica5

O desenvolvimento atual do modelo internacional de mercado de energiaelétrica tem sido baseado em fluxo unidirecional de energia e,possivelmente, por razões tecnológicas, em alguns casos, e razõeseconômicas, em muitos outros, o mercado está baseado em tarifas fixase limitações de informações em tempo real sobre gerenciamento decarga.

O mercado de transmissão e distribuição de energia elétrica estácaracterizado por monopólios naturais dentro de áreas geográficas. A

ausência de competição faz com que as tarifas sejam controladas poragentes reguladores.

A nova tendência internacional é de liberalização do mercado de energiaelétrica com o estabelecimento de comércio de energia on-line e deconsumidores com o direito de escolher seu supridor de energia elétrica.

Atualmente a maioria dos usuários da rede de energia elétrica sãoreceptores passivos sem nenhuma participação no gerenciamento daoperação da rede. Cada consumidor é simplesmente um absorvedor de

eletricidade. As redes de energia elétrica deverão em um futuro nãolongínquo permitir que seus usuários exerçam um papel ativo na cadeiade suprimento de energia elétrica.

Com a consolidação da geração distribuída em um mercado liberalizadode energia elétrica, um novo modelo de geração deverá surgir em quecoexistirão geração centralizada e geração descentralizada. Um grande

5M.S. Jimenez. Smart Electricity Network based on Large Integration of Renewable Sources and Distributed

Generation. PhD Thesis presented at Kassel University. June of 2006. 158 pages.



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número de pequenos e médios produtores de energia elétrica comtecnologia baseada em fontes renováveis de energia deverá ser

integrado à rede elétrica. Milhares de usuários terão geração própriatornando-se ambos, produtores e consumidores de energia elétrica. Omercado de energia elétrica deverá fazer uso pleno de ambos, grandesprodutores centralizados e pequenos produtores distribuídos.

Pequenos produtores quando operando interligados à rede dedistribuição em baixa tensão dão origem a um novo tipo de sistema depotência denominado de Microredes . As microredes podem operar emmodo autônomo ou como parte da rede principal de energia elétrica.Quando várias fontes são conectadas entre si e operam de forma

conjunta e coordenada dá origem ao que se denomina de plantas degeração virtual.

Figura 1.23 Micro rede.

As Plantas Virtuais de Geração são operadas coletivamente por umaentidade de controle centralizado, pois assumem a grandeza de uma

planta convencional podendo operar no mercado de energia elétrica.

teoria gracao transmissao distrib. energia eletrica teoria univ. fed. cearaf

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