CONSTRUÇÃO DE SUBESTAÇÕES

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1 CONSTRUÇÃO DE SUBESTAÇÕES NOÇÕES DE PROJETO E CONSTRUÇÃO DACQ.C

2 Revisão: Ago/2008 Direitos autorais reservados a Furnas Centrais Elétricas S.A. DACQ.C - Divisão de Apoio e Controle de Qualidade Estrada do Pau da Fome, Jacarepaguá - Taquara Rio de Janeiro - RJ - Brasil CEP: Tel: 55 (21) Fax: 55 (21) [email protected]

3 SUMÁRIO 1 NOÇÕES DE ELETRICIDADE CARGAS ELÉTRICAS ESTRUTURA ATÔMICA CONDUTORES E ISOLANTES ELETRIZAÇÃO Eletrização por Indução Eletrização por Contato PRINCÍPIOS DO CAMPO ELÉTRICO Lei de Coulomb Campo Elétrico Rigidez Dielétrica Potencial Elétrico Capacitância SISTEMAS ELÉTRICOS HISTÓRICO OBJETIVOS DE UM SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA ESTRUTURAÇÃO DE UM SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA Produção Transporte Distribuição...16 EXERCÍCIOS...18 Sumário

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5 1 NOÇÕES DE ELETRICIDADE 1.1. CARGAS ELÉTRICAS Desde 600 a.c. os gregos sabiam que o âmbar, friccionado com lã, adquiria a propriedade de atrair pequenos objetos. Hoje em dia, para descrever essa propriedade dizemos que o âmbar está eletrizado ou possui carga elétrica. É possível provocar o aparecimento de cargas elétricas em qualquer corpo sólido esfregando-o em outra substância. Assim, um automóvel se torna carregado devido ao atrito do seu movimento com o ar. Numa folha de papel que se move numa impressora aparecem cargas elétricas. Há duas espécies de cargas elétricas, a negativa e a positiva. Na verdade, um corpo carregado positivamente perdeu algo e outro carregado negativamente tem algo da mesma natureza em excesso. Somente no fim do século XIX é que se constatou que esse "algo" consistia de porções muito pequenas de eletricidade negativa chamadas de elétrons ESTRUTURA ATÔMICA Toda matéria é constituída de moléculas, essas por sua vez são constituídas de átomos. Os átomos são constituídos além de outras partículas, de três principais: o elétron, negativamente carregado, o próton positivamente carregado e o nêutron que, como o nome indica é neutro. A carga do elétron possui a mesma grandeza que a carga do próton e, até hoje, não foram observadas cargas de menor valor. Os prótons e os nêutrons formam o núcleo que possui carga positiva. Fora do núcleo, se encontram os elétrons cujo número é igual ao número de prótons. Se o átomo não for perturbado, de modo que não haja falta de elétrons em torno do núcleo, ele é eletricamente neutro. Caso se verifique a remoção de um ou mais elétrons, a estrutura de carga positiva que resta é chamada íon positivo. Íon negativo é um átomo ou grupo de átomos que possui um ou mais elétrons além dos normais. O processo de perder ou ganhar elétrons é chamado ionização. ELÉTRONS NÚCLEO PRÓTONS E NÊUTRONS Fig. 1.1 Noções de Eletricidade 5 / 19

6 1.3. CONDUTORES E ISOLANTES Condutores são substâncias que possuem cargas "livres" no seu interior e que se movem quando sobre elas age uma força devido a um campo elétrico. As cargas livres em um condutor metálico são os elétrons. Os metais em geral são bons condutores. Os isolantes já não têm em seu interior elétrons livres, como exceção, aparecem apenas em números reduzidos. São isolantes entre outras a borracha, o vidro, etc. Existem também os materiais chamados semicondutores, que são utilizados na retificação de corrente alternada. Os principais metais condutores estão relacionados abaixo, com suas características. Prata O uso da prata nos condutores de eletricidade é naturalmente limitado pelo seu preço mais elevado. Entretanto, em alguns casos torna-se necessário seu emprego devido ao seu valor altamente condutivo, superior ao do cobre e do alumínio. Cobre Devido à sua elevada condutividade e custo moderado o cobre tem seu uso mais generalizado. Possui boas qualidades físicas, como: Material maleável; Elevada resistência à tensão mecânica; Não sofre corrosão; Facilidade de soldagem. Alumínio O alumínio tem apenas 61% da condutividade do cobre, porém, é mais maleável, sua resistência à tensão mecânica e sua facilidade de soldagem são inferiores quando comparados com o cobre ELETRIZAÇÃO Eletrização por Indução A eletrização de um corpo neutro pode ocorrer por simples aproximação de um outro corpo eletrizado, sem que haja o contato entre eles. Considere, por exemplo, uma esfera inicialmente neutra e um bastão eletrizado negativamente. Quando aproximamos o bastão eletrizado da esfera neutra, as suas cargas negativas repelem os elétrons livres da esfera para posições mais distantes possíveis, neste caso, para o lado oposto da esfera, em relação à região de aproximação. 6 / 19 SE - Noções de Projeto e Construção (Ago/2008)

7 ANTES DA APROXIMAÇÃO Fig. 1.2 DEPOIS DA APROXIMAÇÃO Fig. 1.3 Dessa forma, surgem na esfera duas regiões distintas: no lado voltado para o bastão a esfera fica com falta de elétrons, e, portanto, eletrizada com cargas positivas; no outro lado, a esfera fica com excesso de elétrons, ou seja, eletrizada com cargas negativas. Dizemos, então, que houve uma indução eletrostática cuja conseqüência é a eletrização de um corpo. Chama-se indutor o corpo que provocou a indução. No nosso exemplo, o bastão eletrizado é o corpo indutor. Chama-se induzido o corpo no qual ocorreu o fenômeno da indução, no caso, a esfera que estava, inicialmente, neutra. Considere, agora, o indutor e o induzido na seguinte situação INDUZIDO INDUTOR Fig. 1.4 Se quisermos obter no induzido uma eletrização com cargas de um só sinal, será suficiente ligá-lo à terra, na presença do indutor ELÉTRON Fig. 1.5 Nessa situação, os elétrons livres do induzido, que estão sendo repelidos pela presença do indutor, escoam para a terra. Noções de Eletricidade 7 / 19

8 Fig. 1.6 Desfazendo-se esse contato, e logo após separando-se os corpos, a esfera ficará carregada positivamente. Fig. 1.7 Repetindo-se esse procedimento com um indutor eletrizado com cargas positivas, nota-se que o induzido ficará carregado com cargas negativas. Conclusão No processo da indução eletrostática, o corpo induzido se eletrizará sempre com carga de sinal contrário à carga do indutor Eletrização por Contato Vimos que, se de uma maneira qualquer o equilíbrio entre o número de elétrons e prótons for quebrado, ficando o corpo com um excesso ou deficiência de elétrons, dizemos que o corpo está carregado; falamos em corpos carregados ou simplesmente cargas. Há vários processos pelos quais o equilíbrio entre as cargas pode ser alterado. Um deles é o processo por atrito, como já visto, quando, por exemplo, uma borracha endurecida e pele de gato são postas em contato há uma transferência de elétrons da pele para a borracha. Portanto, nesse processo não há criação de cargas elétricas e sim uma transferência de elétrons de um corpo para outro. Um instrumento para verificação se um corpo está ou não carregado é chamado de Eletroscópio de Folhas. PLACA HASTE LÂMINAS Fig / 19 SE - Noções de Projeto e Construção (Ago/2008)

9 Eletroscópio de Folhas É constituído de duas finas lâminas de alumínio que são fixadas a uma haste metálica que atravessa um suporte de vidro. Quando se toca a placa com um corpo carregado, as folhas adquirem cargas do mesmo sinal e se repelem, sendo sua divergência uma medida de maior ou menor carga que elas receberam PRINCÍPIOS DO CAMPO ELÉTRICO Lei de Coulomb Em 1784, Charles Coulomb fez a primeira investigação quantitativa sobre a lei que rege a força entre dois corpos eletrizados. Assim diz a Lei de Coulomb: "A força de atração ou repulsão entre duas cargas puntiformes é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas". q1 q F = K 2 r 2 ( N ) A Lei de Coulomb, além de descrever as forças entre cargas elétricas, explica as forças que unem os elétrons de um átomo ao seu núcleo, as forças que mantém juntos os átomos formando as moléculas e ainda as forças que ligam moléculas e átomos entre si para formar os sólidos e líquidos. Assim, muitas forças têm origem elétrica, como por exemplo, as que unem as moléculas e os átomos de nosso corpo, dando-nos uma configuração estável. A força que impede uma corda ou um cabo de aço de se romper quando tracionado tem sua origem nas interações elétricas entre as partículas que constituem o corpo. Um Coulomb tem uma carga de 6 x elétrons, ou um elétron tem carga de 1,6 x Coulomb. K é uma constante de proporcionalidade, que leva em consideração as propriedades dos meios que separam os corpos. K = 9 10 ε r 9 No vácuo a constante K é indicada por K 0 e chama-se constante eletrostática, cujo valor determinado experimental é: K 0 = N m 2 C 2 Valores de ε r (constante dielétrica relativa) Vácuo = 1 Ar = 1,0006 Água = 8 Noções de Eletricidade 9 / 19

10 Vidro = 4 a 10 Plástico = 6 a Campo Elétrico Colocando-se uma carga de prova q próxima de outra carga Q, fixa, a uma distância d entre elas, sobre cada uma delas agirá uma força F, podendo ser de repulsão ou atração. Q (FIXA) q (MÓVEL) F d Isto mostra que existe uma influência de uma carga sobre a outra. Deslocando-se q, a força F, muda de intensidade, porém, continuará existindo a influência de uma sobre a outra. Conclui-se que existe uma região de influência, onde qualquer carga q colocada estará sob a ação de uma força de origem elétrica. A isto chamamos de campo elétrico. A intensidade do campo elétrico num ponto qualquer, representada por E, é definida como o quociente da intensidade da força F que atua sobre a carga de prova pela grandeza dessa carga. E = F q N C Rigidez Dielétrica Como foi visto, um isolante (dielétrico) é uma substância na qual os elétrons estão presos ao núcleo, não havendo, portanto, cargas livres no interior do material. Entretanto, suponha que colocamos um dielétrico em um campo elétrico, por exemplo, entre duas placas carregadas com cargas contrárias figura O campo elétrico atuará sobre os elétrons do isolante, exercendo-lhes uma força que tende a arrancá-los dos respectivos átomos. Se o valor do campo aplicado não for suficientemente elevado os elétrons continuarão ligados ao núcleo (haverá apenas a polarização do dielétrico), mas se aumentarmos, gradualmente, a intensidade do campo externo, chegaremos a um ponto no qual os elétrons serão arrancados de seus átomos, transformando-se em elétrons livres. O maior valor do campo elétrico que um dielétrico suporta sem se tornar um condutor denomina-se rigidez dielétrica. Esta varia de um material para outro. Para o ar, em condições normais, a rigidez 6 N dielétrica vale cerca de 3 x10 ou 30 kv/cm. C Obs: Fig / 19 SE - Noções de Projeto e Construção (Ago/2008)

11 3 kv V 5 V 30 = = ou 2 Cm 10 m m 30 J kv 5 C 5 J = = ou Cm m C. m kv 5 N. m 30 = = Cm C. m N C E BATERIA RESISTÊNCIA DIELÉTRICA MATERIAIS kv / cm Ar 30 Óleo 75 SF6 75 Parafina 350 Papel encerado 400 Mica 500 Vidro 1000 Fig Quando damos carga a um condutor, esta carga se distribui na superfície do corpo. Essa distribuição não é uniforme, pois as cargas se aglomeram mais nas regiões onde o condutor apresenta pontas. A densidade superficial de cargas é maior próxima às pontas, por isso, o campo elétrico será mais intenso nestas regiões. Esse poder das pontas encontra aplicação, por exemplo, em pára-raios Potencial Elétrico Considere um campo elétrico qualquer criado por uma carga Q fixa. Abandonando-se uma carga de prova q, neste campo elétrico, atuará sobre ela uma força de natureza elétrica F, que tende a deslocá-la, espontaneamente na sua direção e sentido. Q (FIXA) q F B da A db dab Fig A força elétrica realizará um trabalho que vamos representar por W AB, onde W AB representa o trabalho feito pelo campo elétrico sobre q. Se F fosse constante W AB = F. d, porém como a força F é variável com a distância: W AB 1 = q K Q d a 1 d b Noções de Eletricidade 11 / 19

12 Considerando o ponto B no infinito, a expressão fica: W AB = q K Q d a Esse é o maior trabalho que pode ser realizado pela força elétrica, sobre a carga q, colocada no ponto A. Como a energia é a capacidade de realizar trabalho, conclui-se que a energia potencial de carga q, num ponto A, é igual ao trabalho realizado para se deslocar essa carga desse ponto ao infinito. Assim, Ep( q, A) = q K Q d a A expressão Q K chamamos de potencial elétrico V. d a Logo, V Q E p J = K e E p = q V e V = = 1Volt. q c d a Podemos dizer que a diferença de potencial (ddp) entre os pontos A e B é dada pela expressão: W AB = E p A E p B = q( V VB ) A Sabemos também que: W AB = F d Logo, F d = q V A V ), mas sabemos que a força no campo elétrico é dado pela expressão F = q. E ( B Assim, substituindo, na equação anterior, temos: V q. Ed = q( VA VB ) E = A V d B V m Que é a expressão que correlaciona o campo elétrico e a diferença de potencial Capacitância A capacidade de um condutor armazenar cargas elétricas depende da sua dimensão, da sua forma e do meio que o envolve. Define-se capacidade ou capacitância de um condutor eletrizado e isolado de outros o quociente da Q sua carga armazenada Q pelo seu potencial V, C = V 12 / 19 SE - Noções de Projeto e Construção (Ago/2008)

13 EXERCÍCIOS 1. A capacidade de um condutor armazenar cargas elétricas depende: a) Da sua dimensão b) Da sua forma e dimensão c) Do meio que o envolve d) Da sua forma, dimensão e meio que o envolve 2. Assinale a afirmativa correta: a) Os materiais condutores não são utilizados na eletrônica b) Os materiais semicondutores não são utilizados na eletrônica c) Os materiais semicondutores são utilizados na eletrônica d) O alumínio é um material mais condutor que o cobre 3. A lei de joule expressa: a) O valor da corrente no resistor b) O valor da tensão no resistor c) A potência dissipada no resistor d) O campo elétrico no resistor 4. A corrente elétrica quando percorre um condutor cria ao seu redor um campo magnético: a) Sempre b) Nunca c) Depende da seção do condutor d) Depende do comprimento do condutor 5. Quando um condutor movimenta-se entre dois pólos de um ímã é produzida uma f.e.m induzida: a) Sempre b) Nunca c) Se o movimento for transversal d) Se o movimento for longitudinal Noções de Eletricidade 13 / 19

14 2 SISTEMAS ELÉTRICOS 2.1. HISTÓRICO A Indústria de energia elétrica é a primeira sob muitos aspectos em muitos países. O progresso industrial de um país pode ser medido pelo grau de aproveitamento de suas fontes de energia. O descobrimento dessas fontes na natureza, o transporte da energia de um lugar a outro e a conversão dessa energia bruta para formas mais úteis de utilização, são partes essenciais de uma economia industrial. Um sistema de potência, nada mais é que um dos instrumentos utilizados para a conversão e transporte da energia. O fornecimento de energia elétrica, em bases comerciais, foi constituído inicialmente, por geradores de corrente contínua alimentando cargas específicas como iluminação pública, galeria, etc, e logo em seguida para consumidores residenciais. Fig. 2.1 Contudo, surgiram inúmeros problemas com o transporte e a distribuição de energia elétrica, gerada e consumida em corrente contínua. O crescimento dos sistemas e o uso da energia hidráulica eram dificultados devido aos fenômenos da queda de tensão e das perdas por efeito joule. Eram exigidos condutores de seções maiores tornando inviável novas extensões, sendo necessário construir novas centrais, próximas umas das outras. O grande potencial hidroelétrico não podia ser utilizado devido as grandes distâncias. O problema foi resolvido com a invenção do transformador, após o surgimento da corrente alternada. Isso possibilitou a transmissão de energia elétrica a grandes distâncias, pois ele permite elevar a tensão gerada, o que diminui as perdas na Linha, e depois reduzi-la novamente para utilização industrial e doméstica com grande rendimento, desde que, a energia seja em corrente alternada. Após a invenção dos motores de indução tiveram ainda maior impulso os sistemas de corrente alternada que foram substituindo, gradativamente, os de corrente contínua. Sistemas Elétricos 14 / 19

15 GERAÇÃO SUBESTAÇÃO ELEVADORA TRANSMISSÃO SUBESTAÇÃO ABAIXADORA DISTRIBUIÇÃO Fig. 2.2 A linha de transmissão não pode armazenar energia, logo toda a energia gerada é enviada aos consumidores. A única energia armazenada é a primária (água, carvão, urânio, óleo, etc.). Um sistema elétrico de potência consiste em três componentes principais, as estações geradoras, as linhas de transmissão e os sistemas de distribuição. Um sistema bem projetado abrange um grande número de estações geradoras interligadas de maneira que a energia total gerada, possa ser utilizada em toda região coberta pelo sistema. Uma das funções dos sistemas de potência é prever a demanda futura de energia de tal maneira que centrais geradoras adequadamente situadas e sistemas de transmissão bem coordenados, flexíveis e eficazes, possam atender a uma determinada região. À medida que o sistema cresce, novas fontes de energia devem ser procuradas para satisfazer à crescente demanda, assim como, novas linhas devem ser construídas OBJETIVOS DE UM SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA O objetivo básico de um sistema de energia elétrica é fornecer essa energia às várias cargas existentes numa dada área de serviço. Quando adequadamente projetado, construído e operado, ele deve atender aos seguintes requisitos: Gerar energia elétrica em quantidades suficientes e se possível nos locais apropriados. Transmiti-la em grandes quantidades aos centros de cargas. Deve fornecer energia praticamente em todos os locais exigidos pelo consumidor na forma apropriada. Sistemas Elétricos 15 / 19

16 A carga alimentada consome potência ativa e reativa variável com o tempo. O sistema deve estar apto a fornecer essa demanda variável. A energia fornecida deve obedecer a certas condições mínimas, relacionadas com as qualidades quais sejam: freqüência constante, tensão constante, alta confiabilidade. O sistema deve fornecer energia com custos mínimos, tanto econômicos como ecológicos ESTRUTURAÇÃO DE UM SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA Um sistema elétrico de potência compreende basicamente três partes principais: produção, transporte e distribuição Produção A energia elétrica é produzida nas Centrais Elétricas, também chamada de estações geradoras. Estas Centrais utilizam-se de outras formas de energia existente na natureza para obtenção de energia elétrica. Podemos classificá-las em: Centrais Termelétricas: quando utilizam combustíveis fósseis. (Ex.: óleo, carvão, gás, etc). Centrais Nucleares: quando utilizam a energia do átomo. Centrais Hidrelétricas: quando utilizam o potencial energético das águas. Toda a tecnologia de geração de energia elétrica é baseada no fato de que é possível transformar as formas primitivas de energia disponível na natureza, em energia elétrica. Essa energia é então finalmente de novo transformada em outras e variadas formas úteis. Essas transformações de energia freqüentemente ocorrem de uma maneira um tanto complexa, sendo que praticamente 100% da energia elétrica, hoje produzida, é obtida em sua transformação última da mecânica para a elétrica. Grandes esforços estão compreendidos na pesquisa de métodos de conversão direta de energia, isto é, tenta-se eliminar a etapa mecânica intermediária, procurando obter energia elétrica diretamente, ou de energia térmica ou da solar ou da química. Embora muitos equipamentos de conversão direta de energia tenham encontrado importantes aplicações no setor de baixas potências, é muito difícil que eles venham a competir com o gerador convencional no campo das altas potências nas próximas décadas. Enfocaremos características da energia já na sua forma elétrica, não importando como ela chegou a essa forma Transporte É feito através das linhas de transmissão, levando grandes blocos de energia, geralmente, com tensão elevada e distâncias longas Distribuição É a parte do sistema elétrico que distribui a energia para os consumidores (residenciais ou industriais), em tensões mais baixas que a da transmissão, geralmente, 13,8 kv e tensão secundária de consumo 110 V a 440 V. Para consumidores industriais estes níveis chegam até 138 kv. 16 / 19 SE - Noções de Projeto e Construção (Ago/2008)

17 PRODUÇÃO CONSUMO SE ELEVADORA TRANSMISSÃO SE ABAIXADORA DISTRIBUIÇÃO MECÂNICO Disponível Mecânico Elétrico LUMINOSO CALOR Fig. 2.3 A energia elétrica é produzida nas usinas geradoras, em média tensão. Através de transformadores, situados, logo após, na saída dos cabos do gerador, eleva-se a tensão (SE elevadora) ao nível desejado de transmissão. No final da linha, a tensão é reduzida (SE abaixadora) a níveis de distribuição, visando atender os diversos consumidores. SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA (DIAGRAMA SIMPLIFICADO) G GERAÇÃO SUBESTAÇÃO ELEVADORA LINHA DE TRANSMISSÃO SUBESTAÇÃO ABAIXADORA SISTEMA DE TRANSMISSÃO DISTRIBUIÇÃO CONSUMIDOR - INDUSTRIAL - COMERCIAL - RESIDENCIAL - OUTROS Fig. 2.4 Sistemas Elétricos 17 / 19

18 EXERCÍCIOS 1. Assinale a afirmativa correta: a) O fornecimento de energia elétrica foi constituído, inicialmente, por geradores de corrente alternada b) Os consumidores residenciais receberam energia elétrica antes da iluminação pública c) O crescimento dos sistemas era dificultado devido a queda de corrente d) Os motores de indução impulsionaram os sistemas de corrente alternada 2. Um sistema elétrico de potência compreende: a) Produção, transporte e consumo b) Produção, transformação e distribuição c) Produção, transporte e distribuição d) Geração, transformação e distribuição 3. Assinale a afirmativa falsa: a) Centrais hidrelétricas não utilizam o potencial energético dos ventos b) Centrais eólicas não utilizam a energia do átomo c) Centrais termelétricas não utilizam combustíveis fósseis d) Centrais nucleares não utilizam o potencial energético das águas 4. Um dos objetivos do Sistema Elétrico de Potência é: a) Transmiti-las em grandes quantidades aos centros de geração. b) Transmiti-las em pequenas quantidades aos centros de geração. c) Transmiti-las em grandes quantidades aos centros de cargas. d Transmiti-las em pequenas quantidades aos centros de cargas. 18 / 19 SE - Noções de Projeto e Construção (Ago/2008)

19 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Alvarenga, Antônio Máximo e Beatriz Física Volume 3 Relatórios de Obras de várias Subestações NBR Chuveiros automáticos para extinção de incêndio especificação. NBR Iluminação de interiores. Catálogos Diversos: General Eletric, Westinghouse, Siemens, Asea-Brown Boveri. Filho, João Mamede - Instalações Elétricas Industriais. Rio de Janeiro. LTC Amon, Jorge Equipamentos Elétricos Especificação e Aplicação em Subestações de Alta Tensão Furnas e UFF Referências Bibliográficas 19 / 19