IMPACTOS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA EM UM ALIMENTADOR REAL NA PRESENÇA DE EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA IMPACTOS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA EM UM ALIMENTADOR REAL NA PRESENÇA DE EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO Igor Araújo de Oliveira Fortaleza Dezembro de 2010

2 ii IGOR ARAÚJO DE OLIVEIRA IMPACTOS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA EM UM ALIMENTADOR REAL NA PRESENÇA DE EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO Monografia submetida à Universidade Federal do Ceará como parte dos requisitos para obtenção do Diploma de Graduação em Engenharia Elétrica. Orientador: Profa. PhD Ruth Pastôra Saraiva Leão Fortaleza Dezembro de 2010

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4 iv Tudo posso n Aquele que me fortalece (Filipenses 4.13)

5 v A Deus, Aos meus pais, José e Antônia, Às minhas irmãs Luciana e Mirela, A todos os familiares e amigos.

6 vi AGRADECIMENTOS Primeiramente a Deus, pelo dom da vida e pela chance que me foi concedida, e pela força que Ele me deu todas as vezes que eu precisei, sem ele com certeza não teria chegado até aqui. A toda minha família, meus pais, José Costa de Oliveira e Antônia Maria Araújo de Oliveira, pela criação e carinho que recebi durante toda minha vida, seus ensinamentos que adquiri, pela força, dedicação e confiança que me depositam em todos os momentos da minha vida. Minhas irmãs, que serviram de exemplo de dedicação nos estudos e na vida. À professora PhD Ruth Pastora Saraiva Leão, pela sua orientação, sua disponibilidade e interesse em ajudar, agradeço a oportunidade de aprender com ela. Aos meus amigos, pela presença constante em minha vida, em momentos alegres e tristes, onde sempre estiveram do meu lado. Aos amigos de colégio, que mesmo depois de tanto tempo ainda estão presentes como se nós ainda estudássemos juntos. Aos colegas de faculdade, pelos anos de curso que passamos estudando, virando noites no PET, pelas conversas praticamente sem fim no banco próximo à coordenação, pelos momentos hilários em festas que só alunos da engenharia elétrica podem proporcionar. A todas as pessoas que por motivo de esquecimento não foram citadas anteriormente, vou deixando neste espaço minhas sinceras desculpas.

7 vii Oliveira, I. A. de Impactos da geração distribuída em um alimentador real na presença de equipamentos de proteção, Universidade Federal do Ceará UFC, 2010, 47p. Esta monografia apresenta uma análise do comportamento da proteção de sistemas de distribuição na presença de tecnologias de geração distribuída. A proteção de um sistema elétrico tem como principal função detectar faltas e retirar a parte defeituosa da rede a fim de garantir a continuidade de suprimento aos demais consumidores. A conexão de geradores no sistema de distribuição normalmente causa alterações no fluxo de potência podendo ter influência na capacidade de interrupção dos equipamentos de disjunção, na filosofia de proteção e no ajuste e coordenação da proteção da rede elétrica. Uma simulação em um alimentador real de 13,8 kv, potência instalada de 10 MVA, pertencente à concessionária de distribuição de energia elétrica, Coelce, foi analisada a fim de ser observada a influência da conexão de um gerador síncrono de 2 MW sobre a proteção do alimentador. Foi avaliado o sistema de proteção do alimentador com e sem a presença da geração de distribuída. Na simulação da rede elétrica foi usado o programa computacional EasyPower que dispõe de uma rica biblioteca de equipamentos elétricos de mercado e uma interface de programação amigável. Para o caso investigado foi verificado que a conexão do GD resultou em melhoria no perfil de tensão do alimentador e não houve necessidade de mudança no ajuste da proteção do alimentador da concessionária. Palavras chave: Geração Distribuída, Sistemas de Distribuição, Proteção de Sistemas, Gerador Síncrono.

8 viii Oliveira, I. A. Impacts of distributed generation on a real feeder in presence of protection equipments Universidade Federal do Ceará UFC p. This monograph presents an analysis of the distribution systems protection behavior in the presence of distributed generation technologies. The electric systems protection has as main function to detect faults and remove the faulty part of the network to ensure continuity of supply to other consumers. The generators connection in distribution system often causes changes in power flow could have influenced the breaking capacity of the disjunction equipment in the philosophy of protection and adjustment and coordination of power grid protection. A simulation in a 13,8 kv feeder real, installed capacity of 10 MVA, which belongs to the concessionaire of electric power distribution, Coelce, was analyzed in order to observe the influence of the 2 MW synchronous generator connection for the feeder protection. Was evaluated the feeder protection system with and without the distributed generation presence. For the simulation of the electric grid was used EasyPower computer program that has a rich electrical equipment market library and a friendly programming interface. For the case investigated was found that the connection of the DG resulted in improvement in voltage profile of feeder and there was no need for change in the setting of the utility feeder protection Keywords: Distributed Generation, Distribution Systems, Protection Systems, Synchronous Generator

9 ix SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS...xi LISTA DE TABELAS...xii SIMBOLOGIA...xiii INTRODUÇÃO...1 CAPÍTULO 2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA CONSIDERAÇÕES INICIAIS CONCEITO DE GERAÇÃO DISTRIBUIDA HISTÓRICO TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA COGERAÇÃO OU COMBINED HEAT AND POWER (CHP) MOTORES ALTERNATIVOS CÉLULAS COMBUSTÍVEIS ENERGIA EÓLICA ENERGIA FOTO VOLTÁICA (PV) PRINCIPAIS APLICAÇÕES DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA VANTAGENS E DESVANTAGENS NA IMPLANTAÇÃO DE TECNOLOGIAS DE GD QUALIDADE DE ENERGIA E GERAÇÃO DISTRIBUÍDA INTERRUPÇÕES NA GERAÇÃO PRINCIPAL REGULAÇÃO DE TENSÃO HARMÔNICOS AFUNDAMENTOS DE TENSÃO PROTEÇÃO DA GD CONSIDERAÇÕES FINAIS...23 CAPÍTULO 3 ESTUDO DE CASO: ALIMENTADOR JUREMA CONSIDERAÇÕES INICIAIS ASPECTOS GERAIS DO ALIMENTADOR ESTUDO DA PROTEÇÃO PROTEÇÃO DA CONCESSIONÀRIA PROTEÇÃO AO LONGO DO CIRCUITO RELIGADOR R29W1423 Sumário

10 x CONSIDERAÇÕES FINAIS...32 CAPÍTULO 4 DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DA PROTEÇÃO DO GERADOR CONECTADO AO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO CONSIDERAÇÕES INICIAIS MAQUINA SÍNCRONA PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO GERADOR SÍNCRONO MOTOR SÍNCRONO DADOS DO GERADOR SÍNCRONO UTILIZADO DIMENSIONAMENTO DO TC E CÁLCULO DE AJUSTE DA PROTEÇÃO DO GERADOR CÁLCULO DO DIMENSIOMENTO DO TC CÁLCULO DOS AJUSTES DO RELÉ AJUSTE DA CORRENTE DE FASE AJUSTE DA CORRENTE DE NEUTRO AJUSTES INSTANTÂNEOS AJUSTE INSTANTÂNEO DE FASE AJUSTE INSTANTÂNEO DE NEUTRO CONSIDERAÇÕES FINAIS...42 CAPÍTULO 5 CONCLUSÃO...43 CAPÍTULO 6 REFERÊNCIAS...45 ANEXO A DIAGRAMA UNIFILAR DO ALIMENTADOR JMA01M Sumário

11 xi LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Usina Hidrelétrica de Luiz Gonzaga...1 Figura 2.1 Sistema convencional de distribuição de energia elétrica...4 Figura 2.2 Sistema de geração distribuída...5 Figura 2.3 Previsão de evolução da produção de eletricidade das diferentes fontes...8 Figura 2.4 Previsão de evolução das várias tecnologias de GD....9 Figura 2.5 Exemplo de CHP em Nossener Brüke, Alemanha...10 Figura 2.6 Princípio de funcionamento de uma CHP...11 Figura 2.7 Gerador à diesel...13 Figura 2.8 Exemplo de sistema a células combustíveis...14 Figura 2.9 Influência da GD e transformadores na redução de afundamento de tensão Figura 2.10 Alcance de um relé de proteção para um pequeno sistema de distribuição da amostra com DGs Figura 2.11 Curvas características dos fusíveis da Figura Figura 3.1 Barras onde a tensão difere do regulamento da ANEEL Figura 3.2 Gráfico da curva de coordenação de fase...31 Figura 3.3 Curva de coordenação de Neutro Figura 4.1 Coordenação de fase entre GD e Concessionária Figura 4.2 Coordenação de Neutro entre GD e Concessionária...42 Lista de Figuras

12 xii LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Tabela de eficiência das quatro tecnologias mais usadas Tabela 3.1 Relação e características dos cabos utilizados no alimentador...25 Tabela 3.2 Tabela de fatores de modelagem de carga...25 Tabela 3.3 Níveis de curto circuito nos dois momentos de geração...26 Tabela 3.4 Dimensionamento dos relés da COELCE...29 Tabela 3.5 Dimensionamento do religador...30 Tabela 4.1 Parâmetros do gerador síncrono de 2MVA Tabela 4.2 Valores de curto-circuito do alimentador Lista de Tabelas

13 xiii SIMBOLOGIA Acrôminos e Abreviaturas: Simbologia

14 1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO A geração centralizada (GC) de energia elétrica caracteriza-se pela existência de usinas de grande porte, instaladas próximas às fontes energéticas. Esse tipo de configuração é típico dos grandes sistemas termoelétricos e hidrelétricos convencionais, com potências da ordem de centenas e milhares de megawatts, normalmente instalados longe dos centros de carga. A Figura 1.1 mostra uma vista panorâmica da usina hidrelétrica de Luiz Gonzaga, pertencente ao complexo Paulo Afonso da Chesf - Companhia Hidrelétrica do São Francisco. Figura 1.1 Usina Hidrelétrica de Luiz Gonzaga. As grandes plantas de geração são ligadas aos centros consumidores por linhas de transmissão utilizadas para o transporte da energia gerada. Para que as perdas elétricas nas linhas de transmissão sejam reduzidas, as tensões das linhas são elevadas na ordem de centenas de milhares de volts. A vantagem do modelo de grandes usinas é a economia de escala obtida com grande quantidade de energia produzida, possibilitando que a energia produzida possa ser mais barata do que se fosse gerada por pequenas centrais elétricas. A geração distribuída (GD), por sua vez, caracteriza-se por pequenas usinas instaladas próximas às cargas. Quando são utilizadas fontes renováveis de energia, a GD apresenta ganhos ambientais importantes quando comparada com a queima de recursos fósseis da geração centralizada nas usinas termelétricas, ou a construção de grandes reservatórios nas hidrelétricas. Capítulo 1 Introdução

15 2 A GD, por ser de pequeno porte, não apresenta o mesmo ganho de escala de uma grande usina, fazendo com que o preço da energia produzida seja maior. À medida que a utilização da GD aumenta, o domínio sobre suas características técnicas é aprimorado e os custos são reduzidos. A utilização em larga escala da GD permite que a humanidade possa usufruir dos confortos disponibilizados pela energia elétrica de forma sustentável, com menor agressão ao meio-ambiente. Uma questão a ser discutida é o fato de se poder afirmar que GD só traz contribuições para a melhoria da qualidade de energia e da operação dos sistemas integrados de transmissão e distribuição. Sem uma análise detalhada do que significa o termo GD, qual a tecnologia a ser empregada, de que forma é conectada e sem o conhecimento de qual o ponto de conexão na rede elétrica e topologia do sistema, não se torna possível padronizar uma resposta. Desta forma, esta monografia procura esclarecer alguns conceitos, os incentivos atuais, benefícios para a rede e adverte para os cuidados que devem ser tomados ao introduzir-se Geração Distribuída à rede. Um sistema de proteção para sistemas elétricos desempenha um papel vital na preservação da continuidade do fornecimento aos clientes, garantindo de elevados níveis de segurança do sistema de fornecimento pelo isolamento das partes afetadas do sistema durante curtos-circuitos e condições anormais de funcionamento. Tradicionalmente, a proteção das redes de distribuição tem sido conseguida, sobretudo através do uso de relés de sobrecorrente coordenada e falha de terra. Essa abordagem, embora adequado para redes radiais com um ponto de prestação única, será desafiada pelo aumento dos níveis de penetração da GD em sistemas de distribuição. O objetivo principal desta monografia é expor uma análise do comportamento da proteção de um circuito elétrico na presença de uma tecnologia GD. Será visto quais os pontos que precisam ser modificados e se uma GD realmente interfere em um sistema de proteção já especificado. No capítulo 2, é mostrado uma abordagem a respeito do tema geração distribuída, um conceito, um pequeno histórico, algumas de suas tecnologias e questões a respeito de sua implementação, proteção e continuidade no serviço. No capítulo 3 é apresentado o circuito que será estudado, suas características principais, sua constituição, estudo da proteção desse circuito e uma análise de qual ponto será necessário para a instalação de uma tecnologia GD. Capítulo 1 Introdução

16 3 No capítulo 4 uma análise é realizada sobre a GD que será instalada, um gerador síncrono de 2 MVA foi escolhida para suprir a deficiência encontrada e regular o sistema de fornecimento. Ao final da monografia são apresentadas as conclusões e algumas sugestões para trabalhos futuros, presentes no capítulo 5. Capítulo 1 Introdução

17 4 CAPÍTULO 2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA 2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS Este Capítulo aborda aspectos gerais a respeito da geração distribuída, sua definição, seu surgimento e evolução no sistema elétrico ao longo do tempo. São também mencionadas, as principais fontes utilizadas nessa geração, bem como as vantagens e desvantagens em sua implementação, utilização e manutenção, tanto para o consumidor quanto para o sistema elétrico em si. Esses aspectos essenciais servirão de base para o entendimento da análise que será realizada nos capítulos seguintes. 2.2 CONCEITO DE GERAÇÃO DISTRIBUIDA O conceito de geração distribuída (GD) envolve uma gama de tecnologias, aplicações e efeitos sobre a gestão da rede elétrica [1]. Essas tecnologias são desenvolvidas para a produção de eletricidade em pequena escala, assim instalando-se próximas aos consumidores, em contraste com as grandes centrais de energia, que se encontram distantes dos consumidores finais, necessitando de grandes linhas de transmissão para que a potência flua para seu destino, como mostra a Figura 2.1. Figura 2.1 Sistema convencional de distribuição de energia elétrica. Capítulo 2 Geração Distribuída

18 5 Sua instalação direciona a novos desafios para o funcionamento das redes de distribuição radial. Sua implementação não muda a topologia radial destas redes, mas o fluxo de energia não será mais em uma única direção, mostrado na Figura 2.2. Isso tem um impacto sobre a proteção das redes de distribuição, e este impacto depende do tamanho, tipo e sua localização [2]. Figura 2.2 Sistema de geração distribuída. As fontes de GD podem ser definidas como um complemento para as infra-estruturas elétricas existentes, a fim de aliviar o congestionamento da rede, fornecer serviços auxiliares e melhorar a confiabilidade. Além disso, o manuseio correto pode oferecer maior flexibilidade no planejamento do sistema elétrico, através do possível gerenciamento de investimentos irregulares na geração centralizada, bem como as melhorias nas redes de transmissão e a distribuição [1]. Os adeptos da GD apontam que a geração distribuída pode melhorar a eficiência do fornecimento de energia elétrica. Eles costumam destacar que a transmissão de eletricidade de uma usina para um usuário típico desperdiça cerca de 4 a 9 por cento da eletricidade, em consequência do envelhecimento dos equipamentos de transmissão. Ao mesmo tempo, os clientes sofrem frequentemente de má qualidade de energia, que tem como origem uma variedade de fatores, incluindo manobras indevidas na rede, quedas de tensão, interrupções, transientes e distúrbios da rede resultando em variações de tensão elétrica ou de fluxo de potência. Em geral, os defensores da GD destacam a ineficácia da transmissão em grande escala existentes para atender a rede elétrica de distribuição, pois, mesmo com a elevação da tensão para a transmissão, ocorrem perdas suficientes para comprometer a qualidade dos sistemas de distribuição. Além disso, consumidores e empresas que geram energia a nível local têm potencial para vender a energia excedente para a rede, o que pode gerar retornos significativos durante os horários de pico. Capítulo 2 Geração Distribuída

19 6 Gerentes industriais e empreiteiras começaram também a enfatizar as vantagens de geração de energia próxima as unidades consumidoras. Tecnologias de co-geração permitem às empresas um reaproveitamento de energia térmica que normalmente seria desperdiçada. As GD s tornaram-se, portanto, valorizadas em indústrias que utilizam grandes quantidades de calor, tais como o ferro e aço, química, refino, fabricação de celulose e papel, e as indústrias de processamento de alimentos [3]. Alguns estudos realizados em cima das tecnologias de GD permitiram uma diminuição no efeito do impacto ambiental. Um dos motivos que contribui como fator impulsionador para o desenvolvimento da geração distribuída é a proteção do meio ambiente, em que cada vez mais o desenvolvimento sustentado passa a ser uma realidade. Um conjunto significativo de novas tecnologias de geração distribuída assenta nesta filosofia de geração sustentada e novos combustíveis. Hoje em dia, a exigência ambiental e a eficiência energética são os pilares desta nova tecnologia de geração, para aplicação distribuída. Outro fator que tem ajudado ao crescimento da geração GD é o aumento de consumidores que, em muitas zonas do planeta, faz com que os níveis de qualidade da energia tenham vindo a diminuir, ficando inadequados às necessidades das cargas dos consumidores. Surgem assim condições para que a GD seja uma opção dando uma resposta rápida para a satisfação destas necessidades [4]. Por outro lado, a integração com cargas intermitentes, como a energia eólica, energia solar e, em alguns casos energia térmica, conhecida como combined heat and power(chp), podem colocar um desafio adicional para o equilíbrio do sistema. Dentre outras barreiras para a disseminação de fontes renováveis alternativas na geração de energia elétrica do Brasil podemos citar o seu custo tecnológico mais elevado, quando comparado ao das fontes convencionais, assim como a dificuldade de financiamento. O estágio de desenvolvimento em que ainda se encontram algumas tecnologias de aproveitamento das fontes renováveis alternativas e as produções em escala não industrial ainda não as tornam atrativas sob o ponto de vista estritamente econômico. Capítulo 2 Geração Distribuída

20 7 2.3 HISTÓRICO A evolução dos sistemas de potência se deu há séculos atrás, mais precisamente no final do século XIX. Thomas Edison, inventor e homem de negócios estadunidense, iniciou esse processo em 1882, com a implementação do primeiro sistema de distribuição de energia elétrica do mundo com fins comerciais. O sistema gerava em corrente contínua, com seis unidades geradoras com potência total de 700 kw, para alimentar 7200 lâmpadas em 110 V. Pouco tempo depois, a partir de um trabalho com campos elétricos rotacionais, Nikola Tesla, inventor Sérvio, físico e engenheiro eletro-mecânico, desenvolveu um sistema de geração, transmissão e uso de energia elétrica proveniente de corrente alternada. Esse sistema se tornou mais vantajoso que o sistema de Thomas pelo fato deste proporcionar bem menos perdas na transmissão em alta tensão, e um custo menor em sua implementação. O engenheiro e empresário estadunidense George Westinghouse fez um acordo com Tesla em que comprou os direitos e as patentes desse sistema e, em 1886, fundou a Westinghouse Electric & Manufacturing Company, renomeada para Westinghouse Electric em Esse período ficou conhecido como guerra das correntes onde a corrente alternada saiu vitoriosa, pois o sistema de Westinghouse ganhava cada vez mais aceitação, especialmente depois de ganhar o contrato para a construção de uma nova central elétrica de corrente alternada na fronteira entre os Estados Unidos e o Canadá, ligando as Cataratas do Niágara a Buffalo, por um preço mais baixo e numa distância impossível de ser alcançada através de corrente contínua [5], [6] e [7]. A produção de energia elétrica no local de consumo, pela falta de redes de transporte e tecnologia, quer fosse destinada à indústria, ao comércio, às residências ou à agricultura, foi posta em prática na primeira metade do século XX. Com as melhorias técnicas nos transformadores e nas linhas de transmissão, com tensões cada vez maiores, passou a ser possível transportar mais potência, proporcionando o desenvolvimento de geradores com uma potência cada vez mais elevada e fazendo com que o rendimento de certos processos de produção de energia fosse melhorado. A produção de energia centralizada a partir das grandes centrais produtoras passa a ser a prática dominante face à GD, permitindo grandes economias de escala. Capítulo 2 Geração Distribuída

21 8 Este tipo de produção resulta em grandes investimentos, com instalações de enormes dimensões e com pouca flexibilidade, que logicamente irá interferir com o modelo de exploração do setor elétrico. Em muitos países opera com o regime de monopólio resultante da necessidade de expandir a rede ao maior número de clientes possível. Neste tipo de ambiente monopolista interessa que a produção centralizada se mantenha, sob o pretexto das economias de escala, sendo a geração distribuída confinada a situações onde o consumidor está isolado da rede. Mas, este panorama começou a mudar com as crises petrolíferas que começaram nos anos 70, ajudando fortemente ao aparecimento da co-geração e, mais timidamente, de outras formas de produção de energia local e consequentemente distribuída. Nos anos 90, passou a existir competição no serviço de energia elétrica estimulando todos os participantes a apresentarem custos competitivos. Como resultado da transformação deste mercado, passa a ser produzidos novos equipamentos, sendo aumentada a atratividade em geração distribuída. Em alguns países, como Finlândia e Holanda, este tipo de produção ultrapassa 40% das necessidades elétricas nacionais. [4] Por vezes, a introdução desta produção, em boa parte dos países, é bastante lenta, pois a transformação do mercado dá-se a taxas reduzidas e, porque a produção centralizada exigiu fortes investimentos e estes têm de ser pagos, o que dificulta a liberalização do setor, logo a competição. Na Figura 2.3 mostra-se a previsão, expressa em bilhões de kilowatthora, constante no Anual Energy Outlook 2008, para a evolução da procura de eletricidade, num horizonte temporal até [4] Figura 2.3 Previsão de evolução da produção de eletricidade das diferentes fontes.[4] Capítulo 2 Geração Distribuída

22 9 Para a geração distribuída, tendo ainda como referência o Annual Energy Outlook 2000 (AEO2000), podem ser vistas projeções de evolução das tecnologias de geração distribuídas num horizonte temporal de previsão até Embora as tecnologias de geração distribuídas emergentes (Ex: Fotovoltaicas (PV), pilhas de células de combustível, microturbinas, etc...) mostrem declínios de custo ao longo do período de projeção, estes não são muito grandes de forma a se obterem ganhos significativos, com a entrada destas formas de GD durante os próximos 20 anos. A Figura 2.4 mostra a previsão da construção de centrais das várias tecnologias de geração distribuídas até [4] Figura 2.4 Previsão de evolução das várias tecnologias de GD. [4] Como é visível na figura, a tecnologia de turbina de gás natural tende a ter a liderança da geração distribuída até mesmo ao fim do período, com uma pequena variação dos níveis do presente. As pilhas de células de combustível vão ganhar cada vez mais uma percentagem maior do mercado, devido, em boa parte, à descida dos custos de instalação, pois esta tecnologia está atualmente em fase de demonstração, e em curto prazo vai entrar na era da sua produção em massa. A PV terá uma dimensão pequena relativamente às outras tecnologias, embora vá aumentado com o tempo devido à redução dos seus custos e a políticas de incentivo que possam promover a sua instalação [4]. Capítulo 2 Geração Distribuída

23 TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA COGERAÇÃO OU COMBINED HEAT AND POWER (CHP) Através de uma produção combinada entre calor e energia ou CHP, será mais fácil entender o processo térmico de produção de energia elétrica, onde o calor resultante é reutilizado no processo ou aquecimento urbano, em vez de ser rejeitado para o ambiente. Uma unidade de co-geração (mostrada na Figura 2.5) é, portanto, capaz de atingir uma eficiência de conversão de energia de 85% ou mais. Este tipo de fornecimento de energia é especialmente útil para os consumidores que necessitam uma demanda de calor contínua, ou seja, em países com temperaturas baixas. [8] Figura 2.5 Exemplo de CHP em Nossener Brüke, Alemanha. O princípio básico por trás de uma unidade de cogeração com turbina a vapor é dada na Figura 2.6. Na caldeira a água de entrada é transformada em vapor seco de alta pressão. O vapor é transmitido para a turbina, onde se expande e, como resultado, a energia elétrica é produzida. O vapor úmido deixa a turbina e passa por dois condensadores de calor, onde Capítulo 2 Geração Distribuída

24 11 ocorrem as trocas de calor e água no condensador. A água obtida como resultado da condensação do vapor é transferida ao seu respectivo tanque. Com a ajuda de uma bomba de água é forçada para a caldeira a uma pressão adequada e o processo recomeça. Figura 2.6 Princípio de funcionamento de uma Cogeração. [8] A eficiência elétrica média dessa tecnologia se encontra em torno de 20 a 30%, caso seja utilizada a tecnologia de condensação-extração, mas o rendimento total pode chegar num patamar variando entre 80 e 85% quando é utilizada a tecnologia de contra-pressão, também contribuem para essa variação no rendimento a capacidade da caldeira, do tamanho da unidade e das perdas nos aquecedores e condensadores. [8] A potência ativa é linear e depende da produção térmica. O controle pode de certa forma, ser alcançado através do uso de armazenamento de temperatura. A potência reativa, por sua vez, pode ser controlada dentro dos limites operacionais do gerador síncrono. Por esta razão, unidades de CHP estão equipadas com um controle de fator de potência. Existem diferentes tipos de caldeiras a vapor e quase todos os tipos de combustível podem ser utilizados. Portanto, existem caldeiras que utilizam gás natural, óleos combustíveis e bio-combustíveis, como bagaço de cana, restos de madeira e em alguns casos, cascas de arroz. No entanto, a preocupação com resíduos desses combustíveis é muito grande, eles devem estar preparados para a combustão (transformada em uma massa homogênea), caso Capítulo 2 Geração Distribuída

25 12 contrário, correm o risco de perder suas propriedades, particularmente umidade, o que irá influenciar consideravelmente o valor térmico de cada combustível MOTORES ALTERNATIVOS Os motores alternativos, desenvolvidos mais de 100 anos atrás, foram os primeiros usados em GD. Máquinas de Otto e motores do ciclo diesel (Figura 2.7) ganharam aceitação em quase todos os setores da economia. Eles são usados em muitas escalas, desde pequenas unidades de 1kVA a grande dezenas de usinas MW. Os motores menores são principalmente concebidos para transporte e geralmente podem ser convertidos para a geração de energia com pouca modificação. Já os grandes motores são freqüentemente projetados para geração de energia, acionamento mecânico, ou de propulsão marítima. Os motores alternativos são geralmente alimentados a gás natural ou diesel, com emissões de potências variadas. Quase todos os motores utilizados para a geração de energia elétrica operam no regime de quatro tempos (admissão, compressão, combustão e exaustão) semelhante ao motor de automóveis. O processo inicia com a mistura entre o combustível e ar. A mistura resultante é introduzida no cilindro (admissão), depois ocorre a compressão da mistura dentro do cilindro, para que, próxima de uma vela, aconteça o processo de combustão onde ocorre a ignição através de uma faísca (ciclo de Otto) ou por pressão (ciclo diesel), fazendo o pistão girar, o processo termina com a nova subida do pistão, dessa vez liberando os gases queimados na combustão. Esse pistão que está ligado a um cilindro que se conecta a um gerador síncrono, que produz a eletricidade. Para as unidades de funcionamento a diesel, o ar e o combustível são introduzidos separadamente com o combustível sendo injetado após o ar ser comprimido. Capítulo 2 Geração Distribuída

26 13 Figura 2.7 Gerador a diesel. [8] A eficiência elétrica dessa tecnologia varia entre 30 a 50% para motores a diesel e 24 a 45% para motores a gás natural. Em aplicações de co-geração, uma eficiência total de 80 a 85% pode ser alcançada. [8] A potência ativa é controlada ajustando o torque produzido pelo motor. Isto significa, na prática, que há uma alteração da relação ar/combustível da mistura para ser queimada no motor para haver esse controle. Outro controle é necessário para manter a tensão terminal desejada no gerador. Ao ajustar a corrente de magnetização do gerador síncrono de potência reativa também será controlada. O controle moderno e sistemas de filtragem estão diminuindo as concentrações de óxidos de nitrogênio (NOx) e monóxido de carbono (CO) dos gases para abaixo dos limites permitidos, mas, para os motores diesel esses níveis ainda são relativamente altos. Entretanto, os motores que a gás natural têm níveis muito baixos de produção de NOx CÉLULAS COMBUSTÍVEIS As células combustíveis são capazes de converter combustível e oxigênio em energia elétrica de calor e água. Seu funcionamento é similar às pilhas em que ambas usam um processo eletroquímico para a produção de corrente contínua. Essa tecnologia não é tão nova, a teoria de células de combustível nasceu há mais de 100 anos e seu desenvolvimento foi projetado a mais de 40 anos atrás. São muito versáteis e podem potencialmente ser usados em várias aplicações para atender demanda de energia, desde telefones celulares até grandes MW em usinas. [8] Capítulo 2 Geração Distribuída

27 14 A conversão ocorre por meio de duas reações químicas parciais em dois eletrodos separados por um eletrólito apropriado: a oxidação de um combustível no ânodo e a redução de um oxidante no cátodo. Uma simples célula combustível é capaz de produzir uma tensão de apenas 1 volt. Por conta disso, é necessário conectar um grande número de células em série com a tensão desejada. A esse bloco de células dá-se o nome de pilha (stack). Os diferentes tipos de células a combustível são usualmente nomeados de acordo com seus eletrólitos. Figura 2.8 Exemplo de sistema a células combustíveis. [8] Todas as células combustíveis, como representada na Figura 2.8, geram corrente contínua. A tensão gerada é função da tensão da pilha e do número de células em série, como dito anteriormente. Além disso, a tensão varia com a carga e também com tempo de vida útil das células. Ao suprir uma carga em corrente alternada, um sistema com células combustíveis possui um equipamento de conversão de CC em CA (inversor) e um controle de corrente, tensão e frequência. Existem quatro principais tecnologias de células combustíveis, porém, poucas características as diferem entre si. A principal diferença aparente está no eletrólito, que também têm efeitos de longo alcance sobre a concepção e funcionamento da célula Capítulo 2 Geração Distribuída

28 15 combustível. Na Tabela 2.1 essas quatro tecnologias estão listadas com suas características chave. Tabela 2.1 Tabela de eficiência das quatro tecnologias mais usadas. [8] O controle de fluxo de carga do lado CC funciona de maneira similar a uma bateria (com grande resistência interna). Em modo de operação conectada à rede a célula combustível alimenta de forma contrária a carga total da rede, o que significa que há exigências especiais sobre o inversor para controlar a carga [8] ENERGIA EÓLICA Energia eólica caracteriza-se por grandes turbinas que convertem a energia proveniente dos ventos em energia elétrica, com geração avaliada no mercado de até 2 MW. Geralmente, grandes turbinas chegam a 80 metros de altura e suas pás, que geram o movimento do rotor, têm o diâmetro de até 65 metros. [8] Seu funcionamento consiste em pás que ficam dispostas em forma de hélice que recebem rajadas de vento. Essas hélices se encontram acopladas a um sistema de engrenagens que fazem uma mudança da frequência da hélice para uma frequência adequada para o funcionamento de um gerador síncrono ligado a essas engrenagens. Geradores síncronos geralmente são equipados com conversores de modulação de largura de pulso. O controle adequado desses conversores é essencial para a regular o comportamento do moinho de vento na rede elétrica. Capítulo 2 Geração Distribuída

29 16 Para evitar o stress mecânico que a unidade é submetida, turbinas que produzem acima de 1 MW são equipadas com um sistema de controle da variação da velocidade de giro das pás através de dispositivos eletrônicos. Esses dispositivos controlam a potencia transmitida para o motor para manter a extração de potencia máxima vinda da geração eólica ENERGIA FOTO VOLTÁICA (PV) Embora a conversão de energia solar em energia elétrica tem sido uma técnica possível desde o final da década de 30, as primeiras aplicações práticas vieram as ser implementadas no início dos anos 70, onde células PV foram adotadas pelo programa espacial dos Estados Unidos. [8] Sistemas foto voltaicos são classificados em três tipos: Sistemas autônomos; Sistemas híbridos; Sistemas conectados a rede. O sistema autônomo geralmente envolve baterias e é usado em locais remotos que não tem acesso a rede publica. O sistema hibrido é aquele em que se trabalha várias outras tecnologias, como eólica e geradores a diesel junto com a geração PV, no sentido de suprir uma carga continuamente. O sistema conectado a rede normalmente não inclui baterias. E sim uma rede publica que atua como um sistema extremamente forte no qual aceita toda a energia disponível do sistema PV. A conexão com a rede é feita a partir de dispositivos conversores de energia. A eficiência dos sistemas PV esta diretamente ligada com a superfície onde estão instalados os módulos fotovoltaicos, a eficiência desses módulos e a radiação solar do local. Na prática, a potencia de saída depende da latitude, na qual determina a trajetória da radiação solar na atmosfera. Capítulo 2 Geração Distribuída

30 PRINCIPAIS APLICAÇÕES DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA Determinar qual tecnologia de GD é melhor para uma dada aplicação requer objetividade no projeto, uma compreensão clara das prioridades em questão e uma análise detalhada do local em que se julga necessário sua implantação. Geralmente aplica-se GD nas seguintes situações: Em zonas rurais e isoladas, onde existem dificuldades na implantação de sistemas de transmissão e distribuição de energia e os investimentos iniciais em sistemas desse porte são muitos caros. Em zonas urbanas desenvolvidas, onde a rede tem dificuldade para responder a novas solicitações de carga e o custo para projetar uma nova rede é muito elevado, podendo a GD ser um investimento mais rentável. Para consumidores que precisam de níveis altos de qualidade no fornecimento de energia, relacionada com a ausência de interrupções no fornecimento ou confiabilidade ( power reliability ) e/ou na qualidade da energia ( power quality ), onde os parâmetros característicos devem estar muito próximos dos valores nominais (frequência, tensões polifásico equilibrado e simétrico e formas de onda sinusoidais). Os consumidores com este tipo de necessidades de qualidade estão dispostos a pagar pela GD que geralmente faz parte da solução mais econômica para responder a essas necessidades específicas. 2.6 VANTAGENS E DESVANTAGENS NA IMPLANTAÇÃO DE TECNOLOGIAS DE GD A proximidade do local de consumo ao de produção faz com que a GD tenha algumas vantagens, trazendo benefícios tanto para os consumidores quanto para as empresas do setor, dentre elas, destacam-se: Diminuição das perdas na rede de transmissão e distribuição, logo redução dos custos de exploração, bem como menor investimento para reprojetar o sistema. Capítulo 2 Geração Distribuída

31 18 Diminuição dos riscos de planejamento, devido ao menor tamanho das unidades de produção e flexibilidade das soluções. Melhoria da qualidade de serviço aos consumidores próximos à produção local As necessidades energéticas particulares dos clientes podem ser satisfeitas de forma personalizada. A diminuição dos impactos ambientais da produção de energia elétrica, resultante da utilização de combustíveis menos poluentes, do melhor uso dos combustíveis tradicionais. Isso permite, com a utilização da co-geração, a eliminação de resíduos industriais poluidores. São abertas maiores oportunidades de comercialização, na medida em que locais que eram remotos e não tinham viabilidade de disporem de energia elétrica, poderão passar a ser alimentados, melhorando as condições locais da atividade econômica dessas zonas. Para a competitividade no mercado de energia elétrica também surgem maiores oportunidades. Na medida em que a GD diminui o valor do capital investido, surgem outras empresas que não sejam necessariamente de capital intensivo, abrindo um leque de prestadores de serviço. Com isso, a possibilidade de se poder optar pelo fornecedor com melhores condições de mercado aumenta, reduzindo a fatura energética do setor industrial do país. As desvantagens da geração distribuída devem ser levadas em consideração, e têm, principalmente, como causas o aumento do número de entidades envolvidas e a separação das funções de distribuição e comercial. Assim, são relevantes as seguintes desvantagens: O planejamento e a operação do sistema elétrico ficam mais complexos. Haverá um aumento da complexidade nos procedimentos, na realização de ações de manutenção e nas medidas de segurança a serem tomadas. Por vezes, existe uma diminuição do fator de utilização das instalações das concessionárias de transporte e distribuição, bem como de centrais produtoras, o que vai fazer com que exista uma tendência para aumentar o preço médio de fornecimento das mesmas. As entidades responsáveis pelas redes de transporte e distribuição necessitam de se equipar com ferramentas de análise para avaliação do impacto das fontes de GD, ligadas à rede, quer sob o ponto de vista de confiabilidade de fornecimento, quer estabilidade de operação e qualidade da tensão [4]. Capítulo 2 Geração Distribuída

32 QUALIDADE DE ENERGIA E GERAÇÃO DISTRIBUÍDA A GD exerce uma influência na qualidade de energia elétrica, principalmente devido a quatro fatores: 1. Interrupções na geração principal. 2. Regulação de tensão. 3. Harmônicos. 4. Afundamentos de tensão INTERRUPÇÕES NA GERAÇÃO PRINCIPAL Muitas das tecnologias de GD existentes eram instaladas como uma fonte de energia auxiliar a geração principal. Uma das tecnologias mais utilizadas para esse fim eram os motores a diesel. A grande capacidade dessa forma de GD pode ser notada pela transferência de carga para o sistema auxiliar. Nesse caso, existe um acréscimo de energia gerada que pode ser adquirida pela instalação em paralelo com o sistema principal. Muitas tecnologias em GD operam com melhor qualidade de energia quando ligadas em paralelo com a rede principal ou rede concessionária por conta da sua grande capacidade. Entretanto, não são todas as tecnologias adotadas que se pode implantar o paralelismo sem um investimento pesado. Concessionárias de energia podem alcançar uma maior confiabilidade empregando GD para cobrir contingências quando parte do sistema de entrega está fora de serviço. Neste caso, a GD não iria suprir toda a carga, mas apenas o suficiente para cobrir a parte que está fora de serviço. Isso pode resultar numa melhor gestão das despesas futuras para a construção. A desvantagem é que o sistema, ao longo dos anos possa perder sua confiabilidade. Pois o acréscimo da carga pode ultrapassar a capacidade do sistema inicialmente projetado, exigindo uma nova ampliação REGULAÇÃO DE TENSÃO Pode parecer inicialmente que a GD deve ser capaz de melhorar a regulação de tensão em um alimentador. Um controle adequado na geração pode apresentar resultados mais Capítulo 2 Geração Distribuída

33 20 satisfatórios do que transformadores com mudança de tape e inclusão de bancos capacitores ao longo do circuito. No entanto, existem muitos problemas associados com a regulação de tensão como, por exemplo, os casos em que a GD é de pequeno porte e está localizada longe da subestação em relação a sua robustez por exemplo. Questões de regulação de tensão são freqüentemente as mais limitadoras para acomodar a GD sem alterações no sistema principal. Isso ocorre por que primeiro, nem todas as tecnologias têm a capacidade de regular tensão. É o caso de máquinas de indução. Em segundo lugar, concessionárias fornecedoras de energia não querem que a GD opere com a função de regulação de tensão, pois ela pode interferir no funcionamento dos equipamentos reguladores tensão da própria concessionária, aumentando o risco de problemas na rede. Finalmente, pequenas GD não possuem capacidade suficiente para regular a tensões e ficam a mercê das mudanças diárias de tensão no sistema da concessionária. Grandes GD que suprem em até 30% da capacidade de um alimentador, que são capazes de regular tensão, necessitam de um controle de comunicação especial para operar corretamente com os equipamentos de regulação de tensão da rede concessionária HARMÔNICOS Um problema que ocorre com certa freqüência é a produção de harmônicos quando a tecnologia da GD faz uso de conversor eletrônico. Harmônicas geradas por máquinas rotativas nem sempre podem ser desprezadas, sobretudo quando estão funcionando em paralelo com a rede. Para transformadores do tipo estrela-estrela aterrados, apenas máquinas síncronas com enrolamentos construídos com largura de bobina igual a 2/3 do passo polar para eliminação das harmônicas de 3ª ordem podem operar em paralelo com a rede sem estudos especiais para limitação da corrente de neutro. [9] AFUNDAMENTOS DE TENSÃO O problema de qualidade de energia mais comum é o afundamento de tensão. A Figura 2.9 ilustra um caso em que a GD está interligado no lado da carga do transformador. Durante um afundamento de tensão, as GD podem contribuir para mitigar a severidade do afundamento de tensão na barra a que está conectada. Capítulo 2 Geração Distribuída

34 21 Figura 2.9 Influência da GD e transformadores na redução de afundamento de tensão. A influência da GD em afundamentos na sua barra de carga é auxiliada pela impedância do transformador, que representa o isolamento da fonte do afundamento do sistema da concessionária. No entanto, esta impedância dificulta a capacidade da GD de fornecer algum alívio para as outras cargas no alimentador mesmo. GD maior que 10 kw são obrigadas a ter o seu próprio transformador de serviço [9]. 2.8 PROTEÇÃO DA GD Um projeto de proteção é uma parte indispensável de um sistema elétrico. Análise de faltas, condições pré e pós-falta são necessários para a escolha dos dispositivos de interrupção, relés de proteção e suas coordenações. Os sistemas elétricos devem ter a capacidade de suportar certos limites de distúrbios na rede que afetam seus índices de confiabilidade. Em geral, a implantação de uma nova geração implica na necessidade de estudos para avaliação das condições de operação da rede e da coordenação da proteção em estado permanente e sob condição de falta. A resposta da rede depende de muitos fatores incluindo a magnitude da perturbação, impedância e localização da GD, o uso de dispositivos reguladores de tensão, configuração do sistema de energia, etc. A Figura 2.10 mostra um pequeno sistema de distribuição, constituído por uma geração principal e outras três gerações servindo de auxílio em diferentes alimentadores do Capítulo 2 Geração Distribuída

35 22 sistema. Na configuração descrita, o sistema de proteção pode perder a coordenação após a instalação de uma GD. De acordo com a figura, antes da instalação da DG1, se ocorrer uma falta no ponto 1, o fusível FA deve operar antes do fusível FB. Quando a DG1 é instalada, a corrente de falta segue de DG1 para o ponto 1 fazendo FB abrir antes que FA se a diferenças entre as correntes que passam pelos fusíveis forem menor que a margem de coordenação mostrada na Figura Figura 2.10 Alcance de um relé de proteção para um pequeno sistema de distribuição da com GD. Figura 2.11 Curvas características dos fusíveis da Figura 2.10 Um aumento da corrente de falta na rede muda a maneira que o sistema de proteção gerencia falhas (ajustes dos relés, religadores, capacidade de interrupção dos disjuntores e fusíveis). A Figura 2.10 mostra a DG3 instalada próxima da subestação. No caso da falta Capítulo 2 Geração Distribuída

36 23 ocorrer no alimentador vizinho onde a DG3 está localizada, o disjuntor BB abrirá devido a corrente resultante no sentido da DG3 para o ponto de falha. Esse sistema pode ser aprimorado implementando no relé de proteção a função direcional (67) ao invés de somente a função de sobrecorrente(51). A instalação de uma GD no alimentador normalmente requer da concessionária um reajuste das suas configurações do religador, quando esse se encontra no sistema. Isso ocorre por dois motivos básicos: Religamentos em GD, particularmente aqueles sistemas que utilizam tecnologias de máquinas rotativas, pode causar danos ao gerador ou motor principal. GD deve desligar logo no início do intervalo de religamento para dar tempo para o arco elétrico dissipar, de forma que o religamento será bem sucedido. Normalmente, esse processo de detecção e desconexão deve ser simples. No entanto, algumas ligações de transformadores tornam difícil detectar certas faltas, o que poderia atrasar a desconexão da GD. A GD pode também reduzir a zona de proteção ou área de atuação dos relés de proteção. Considerando agora uma falta resistiva devido a um pico de demanda no ponto 2, de acordo com a Figura 2.10, a presença da GD2 entre o ponto de falha e um relé pode causar uma baixa corrente de falta para ser vista pelo relé de proteção. A GD reduz efetivamente o alcance (isto é, zona) do relé. Isso aumenta o risco de detectar faltas de alta resistência a falhas detectadas. Nesse caso, uma proteção de retaguarda pode intervir para interromper uma falha. 2.9 CONSIDERAÇÕES FINAIS A produção descentralizada permite, em certas aplicações, reduzir o investimento necessário e aumentar a eficiência global do sistema, bem como as perdas na transmissão. Estatisticamente é provado que a utilização de várias pequenas unidades, do ponto de vista da confiabilidade, é mais favorável pelo fato de existir uma maior diversidade no fornecimento de energia. No entanto, estudos para avaliar a adequação do sistema de proteção após conexão de GD à rede são necessários. Capítulo 2 Geração Distribuída

37 24 CAPÍTULO 3 ESTUDO DE CASO: ALIMENTADOR JUREMA CONSIDERAÇÕES INICIAIS Este capítulo tem a finalidade de representar o circuito que servirá para o estudo sobre a influencia da geração distribuída no ajuste da proteção de sistema de proteção de um alimentador de distribuição de energia elétrica. O circuito escolhido para investigação foi o alimentador da subestação de Jurema em Fortaleza (CE), denominado Jurema 4, da concessionária do estado do Ceará, Coelce Companhia Energética do Ceará. No software EasyPower foram representados os parâmetros de carga, cabeamento, transformadores e equipamentos de proteção do alimentador de 13,8 kv. Será analisado o comportamento do fluxo de potencia no alimentador para se observar o nível de tensão nas barras e o carregamento dos vãos do alimentador bem como avaliar a coordenação da proteção do circuito. A partir desses parâmetros, será possível analisar o comportamento do circuito após a instalação da GD. 3.2 ASPECTOS GERAIS DO ALIMENTADOR O alimentador do circuito 4 da subestação de Jurema, JMA01M4, nomenclatura adotada pela COELCE para designar seus circuitos de distribuição possui uma extensão total de 24,66 km, sendo 5,239 km sua extensão principal e o restante derivações do circuito principal. Tal extensão abrange uma área correspondente ao bairro Conjunto Ceará e o início do bairro Bom Jardim. O circuito possui 108 transformadores de distribuição, dentre esses 89 são pertencentes à COELCE e o restante sendo de proprietários particulares. A potência instalada no alimentador JMA01M4 é de 10,068 MVA para atender aproximadamente clientes. Basicamente, o alimentador JMA01M4 possui em sua extensão cabos de Cobre de 95mm², porém, nas derivações que surgem do circuito principal, existem outros tipos de cabos, dos quais os principais estão listados na Tabela 3.1. Capítulo 3 Estudo de caso: Alimentador Jurema 4

38 25 Tabela 3.1 Relação e características dos cabos utilizados no alimentador. Os transformadores ao longo do alimentador possuem suas potências nominais especificadas. Nesses transformadores, existem vários tipos de cargas que sofrem variações próprias da natureza dinâmica de cargas elétricas, como liga-desliga, ocorrências de corte de energia, solicitações de religação de clientes, migração de clientes entre grupos. A COELCE trabalha com dois grandes grupos: grupo A, clientes que utilizam a alta tensão, geralmente indústrias ou grandes complexos comerciais, e grupo B, correspondente aos clientes residenciais que utilizam a baixa tensão, dentre outras situações que resultam em grandes variações na carga. Por conta dessas variações de carga, para se fazer um estudo ou um planejamento em um alimentador, a COELCE adota uma tabela com uma relação aproximada do fator de potência e do fator de utilização de cada tipo de transformador. Por exemplo, um transformador de 150 kva obviamente não está o tempo todo trabalhando em sua potência nominal, portanto, é preferível utilizar de um fator que justifica seu uso nos momentos de carga leve, carga intermediária e carga pesada. Tabela 3.2 Tabela de fatores de modelagem de carga. De acordo com a Tabela 3.2 acima, nota-se os fatores variam de acordo com o tipo de transformador, onde o fator de utilização (FU) mostra o carregamento médio do transformador, e o fator de potência (FP) mostra quanto de potência ativa é suprida pelo transformador. O software Easypower 9.0 é uma ferramenta computacional utilizada na engenharia como auxílio ao desenvolvimento de projetos e análises de sistemas de potência industriais, Capítulo 3 Estudo de caso: Alimentador Jurema 4