Sistema elétrico de potência

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1 capítulo 1 Sistema elétrico de potência A eletricidade é a principal fonte de luz, calor e força utilizada no mundo. Muito do que se faz hoje depende de energia elétrica, o que resulta em uma crescente demanda por parte dos consumidores e, consequentemente, no aumento e na necessidade de pesquisas e de novas tecnologias para otimizar seu fornecimento. Podendo ser produzida por diferentes tipos de usinas, a eletricidade é transmitida e distribuída aos consumidores por sistemas elétricos complexos e é estruturada em quatro etapas: geração, transmissão, distribuição e consumo. Objetivos deste capítulo Conhecer a constituição e o funcionamento do sistema elétrico de potência e dos sistemas que o compõem. Reconhecer a relação entre a geração de energia e o consumo. Distinguir a relação entre a fonte de energia primária e a conversão em energia elétrica. Identificar e interpretar os circuitos e suas características no funcionamento de um sistema de potência. Saber os objetivos e as fases de operação de um sistema de potência.

2 PARA COMEÇAR A capacidade de geração instalada no Brasil em 2012 chegou a megawatts (MW) provenientes de usinas hidroelétricas, termoelétricas, eólicas, nucleares, pequenas centrais hidroelétricas e centrais geradoras hidroelétricas. A energia das hidroelétricas responde por 65,96% da capacidade instalada do país, seguida das termoelétricas, com 27,15%, e das pequenas centrais hidroelétricas, com 3,52%. Compõem ainda a matriz 1,66% de potência das usinas nucleares, 1,51% das usinas eólicas e 0,20% das centrais geradoras hidroelétricas. Os dados constam no relatório de fiscalização da ANEEL que apresenta a atualização do parque gerador do Brasil até o dia 31 de dezembro de Para acompanhar a evolução do parque gerador brasileiro, acesse o ambiente virtual de aprendizagem Tekne: DEFINIÇÃO A energia primária é a energia na forma de recursos naturais, como madeira, carvão, petróleo, gás natural, urânio, vento, recursos hídricos e energia solar. Já a energia secundária é a energia nas formas para as quais a energia primária pode ser convertida, como eletricidade, gasolina, vapor, etc. Introdução ao sistema elétrico de potência Os sistemas elétricos de potência são grandes sistemas de energia que correspondem à geração, à transmissão e à distribuição de energia elétrica. O objetivo principal do sistema elétrico de potência é transferir toda a energia elétrica convertida pela transformação de qualquer fonte de energia primária (água, carvão, vento, etc.) aos consumidores. Consequentemente, o ciclo iniciado pela escolha da forma de energia elétrica tem como objetivo final o consumidor, conforme a Figura 1.1. A escolha da forma de energia primária classifica os diver- Energia primária Energia elétrica Sistema elétrico de potência Consumo Fonte natural de energia Geração Transmissão Objetivo final Conversão Figura 1.1 Ciclo de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. 2

3 sos tipos de usinas geradoras de energia elétrica, ou seja: usinas hidroelétricas, termoelétricas, nucleares, etc. O Quadro 1.1 apresenta os principais tipos de usinas geradoras de energia elétrica. Quadro 1.1 Tipos de usinas geradoras de energia elétrica Usina hidroelétrica Usina solar Usina eólica Usina termoelétrica Usina nuclear Usina maremotriz Usina geotérmica Construída onde existe um grande potencial energético por meio de água fluvial Aproveita o potencial energético via raios solares Energia proveniente dos ventos Funciona com algum tipo de combustível fóssil como petróleo, gás natural ou carvão Utiliza materiais radioativos que, por meio de uma reação nuclear, produzem calor Utiliza a energia contida no movimento de massas de água devido às marés Energia gerada a partir do calor proveniente do interior da Terra. Como não dispomos de meios suficientemente desenvolvidos para a armazenagem de energia elétrica, com exceção das baterias, que desenvolvem somente pequenas quantidades de energia elétrica, não é possível atender a todos os tipos de consumidores. Uma vez que não podemos armazenar quantidades suficientes de energia elétrica para consumo posterior, somos obrigados a consumir toda a energia elétrica, convertida ou gerada, sob pena de desperdiçar aquela parte que não for consumida. Além disso, temos que estudar todas as possibilidades de armazenagem de energia primária, para que esteja disponível no momento da necessidade de conversão em energia elétrica. Consequentemente, a extensão do sistema elétrico de potência será determinada em função da localização da fonte de energia primária. Muitas vezes, é possível transportar a energia primária até o local escolhido para a conversão, como, por exemplo, os combustíveis (carvão, óleo, gás, etc.). Neste caso, a determinação da extensão do sistema elétrico de potência será igualmente dependente dos custos do transporte da energia primária em comparação com os custos decorrentes do transporte, através de um sistema elétrico de potência, da energia elétrica gerada no local onde se encontra originalmente a fonte de energia elétrica. capítulo 1 Sistema elétrico de potência 3

4 Constituição de um sistema elétrico de potência A divisão funcional mais comumente encontrada para um sistema de potência de porte é a ilustrada na Figura 1.2. Distribuição Geração Transmissão Distribuição Distribuição Figura 1.2 Divisão funcional básica de um sistema de potência. Sistema de geração O sistema de geração é constituído pelo conjunto de unidades geradoras e equipamentos correlatos. O parque gerador brasileiro é predominantemente hidráulico, complementado por usinas térmicas a carvão, usinas térmicas a óleo, usinas nucleares e usinas eólicas. PARA SABER MAIS As principais usinas hidroelétricas brasileiras são a de Itaipu, localizada no rio Paraná considerada a segunda maior hidroelétrica do mundo em potência instalada, com megawatts de capacidade de geração, a de Tucuruí, localizada no rio Tocantins, e a de Xingó, e as usinas do Complexo Paulo Afonso, localizadas no rio São Francisco. Para mais informações, consulte o portal da Eletrobras (link disponível no ambiente virtual de aprendizagem). Os geradores de energia elétrica estão limitados por diversos fatores, entre os quais destacamos: Isolamento: é economicamente possível fabricar geradores isolados de até 30 kv, porém limitações tecnológicas são impostas em termos de capacidade de corrente e potência. 4

5 Potência/velocidade: dependendo da velocidade da turbina propulsora, as aplicações de geradores de grande potência ficam limitadas em função do tipo de energia primária (hidroelétrica, termoelétrica). Assim, no momento da escolha da fonte de energia primária, somos obrigados a saber não só se a geração de energia elétrica atenderá ao consumo, mas também como poderemos gerar a quantidade necessária de energia elétrica e fazê-la chegar ao consumidor. Caso o consumidor esteja distante do local da geração, não haverá outra alternativa a não ser providenciar a transmissão de energia de forma econômica e racionada. A economia e a racionalização nos levam à necessidade de se elevar a tensão para transmissão, pois o gerador está limitado em seu isolamento. PARA REFLETIR O crescente aumento da demanda por energia elétrica torna urgentes e necessárias a pesquisa e a implantação de novas técnicas e tecnologias para o fornecimento de energia e para o atendimento às expectativas dos consumidores. Sistema de transmissão O sistema de transmissão é constituído pelas linhas de transmissão e pelas subestações. Encontra-se com frequência uma subdivisão desse sistema em transmissão e subtransmissão. A transmissão é a parte do sistema que interliga dois sistemas ou une um grande aproveitamento a um centro de carga, isto é, constitui as linhas e subestações da malha principal, normalmente com tensão de serviço de 230 kv e superior. Já a subtransmissão é o conjunto de linhas e as subestações que une as cargas à malha principal, normalmente com tensão de serviço compreendida entre 138 kv e 69 kv. A tensão dessas linhas depende da quantidade de energia a ser transportada e da distância a ser percorrida. Consequentemente, quanto maior a distância entre a geração e o consumo, maior será a tensão para transmissão. Além disso, devemos considerar se a transmissão será feita em corrente alternada ou contínua. A Figura 1.3 indica um gráfico da transmissão em função desses parâmetros. capítulo 1 Sistema elétrico de potência 5

6 P kv [MW] kv 1 kv 2 kv 3 Tensão de transmissão [kv] P 4 P 3 Corrente contínua P 2 P 1 Corrente alternada d 1 d 2 d 3 d 4 Distância [km] Figura 1.3 Tensão elevada, cujo valor é função da quantidade de energia a ser transportada e da distância entre geração e consumo. Para transmitir P 4 [MW] a uma distância d 1 [km], escolheremos uma tensão kv 1 e, a uma distância d 2 [km], uma tensão kv 2, etc., sendo que kv 2 é maior que kv 1. Manutenção e operação de equipamentos de subestações Sistema de distribuição O sistema de distribuição é constituído pelo conjunto de linhas, alimentadores, ramais de serviços e estações abaixadoras, que se destinam a atender o consumidor final operando com tensão de serviço situada na faixa de 110/220 V a 35 kv. Essa faixa é o nosso objeto de estudo. Por estarmos analisando os conceitos gerais, sem nos preocuparmos com detalhes matemáticos, podemos chegar a algumas conclusões: A geração é sempre feita em tensões iguais ou inferiores a 30 kv. A transmissão é sempre efetuada sob uma tensão maior que a geração: alta, extra-alta e ultra-alta tensão, em corrente alternada ou contínua. O nível de tensão sempre depende da quantidade de energia e de extensão do sistema. Veja na Tabela 1.1 a classificação dos níveis de tensão. 6

7 Tabela 1.1 Classificação dos níveis de tensão Baixa tensão Média tensão Alta tensão Extra-alta tensão Ultra-alta tensão até 1 kv de 1 a 66 kv de 69 a 230 kv de 230 a 800 kv maiores que 800 kv Teremos, então, para uma visão global do sistema, o seguinte diagrama unifilar (Fig 1.4): DEFINIÇÃO Diagrama unifilar (somente um fio) é o diagrama que representa de forma simplificada todos os componentes de um sistema elétrico de potência, informando os dados mais importantes desse sistema. Geração MT e BT Transmissão AT - EAT - UAT (CA e CC) Subtransmissão MT e AT Distribuição MT G BT Figura 1.4 Sistema elétrico de potência. Fluxo de potência Havendo o transporte de energia, seja primária ou secundária, está estabelecido um fluxo de carga entre a fonte de energia e os consumidores. Esse fluxo é variável, pois, como o consumo varia a cada momento em função das necessidades dos consumidores, a geração também terá que ser variável. A cada instante, a geração de todas as fontes do sistema elétrico terá que se adequar à carga solicitada pelos consumidores. Portanto, em qualquer análise do sistema elétrico, é fundamental que se conheça o fluxo de carga entre geração e consumo. capítulo 1 Sistema elétrico de potência 7

8 Resumindo e simplificando essas considerações, podemos afirmar que: Energia elétrica = Energia elétrica Energia elétrica + gerada consumida perdida Esse resumo representa a equação fundamental de geração e consumo de energia elétrica, ponto de partida para o estudo dos sistemas elétricos de potência. A seguir, estudaremos cada um dos elementos dessa equação para entender o funcionamento de um sistema de potência, mas sem a pretensão de esgotar o assunto. Energia elétrica gerada A operação de um sistema elétrico de potência requer controle constante para que, a cada instante, a energia gerada possa suprir as demandas dos usuários e garantir que o sistema esteja dentro dos padrões exigidos de frequência normatizada (60 Hz). Para tanto, devemos entender quais são os objetivos, as fases e a forma de se operar um sistema elétrico de potência. Manutenção e operação de equipamentos de subestações Objetivos da operação O primeiro objetivo de um sistema de potência é atender ao consumidor final, isto é, suprir o mercado com energia elétrica. Esse objetivo é tradicionalmente estratificado em três níveis, para estabelecer uma prioridade no seu atendimento: 1. Atender à carga continuamente: significa manter no sistema todos os consumidores atendidos e uma geração igual à carga demandada. 2. Atender à carga com qualidade: alcançado o objetivo de continuidade, o passo seguinte é atender com qualidade, o que implica manter padrões aceitáveis e sujeitos a variações mínimas de tensão e frequência. 3. Atender à carga com economia: vencidas as etapas anteriores, isto é, tendo- -se alcançado o suprimento contínuo e mantidas ao mínimo as variações na tensão e na frequência do suprimento à carga, o passo seguinte é atender a esses objetivos com economia. Isso significa conseguir que a carga seja suprida continuamente, sob um padrão aceitável de frequência e tensão e com o menor custo. 8

9 Continuidade, qualidade e economia constituem a chamada trilogia da operação. Quanto à ordem de prioridade, tradicionalmente tem-se organizado essa trilogia da forma acima mas, no Brasil, a cada dia surgem mais situações em que a qualidade é subordinada à economia. Com efeito, a chamada crise energética mundial, deflagrada pela crise do petróleo, determinou que se reduzisse drasticamente o consumo de combustíveis fósseis para a geração de energia elétrica, especialmente os derivados de petróleo. Isso originou sérias dificuldades à tomada de ações em relação à geração térmica, principalmente a óleo, mesmo em prejuízo da garantia de atendimento do mercado, o que significou subordinar também a continuidade à economia. NO SITE Acesse o ambiente virtual de aprendizagem para saber mais sobre a crise energética mundial e o papel do Brasil na problemática de biocombustíveis. Independentemente da prioridade que se venha a estabelecer, o objetivo da operação de um sistema de potência de energia elétrica permanece sendo atender à carga demandada com continuidade, qualidade e economia. Atualmente, a frequência do sistema deve ser mantida a 60 Hz, mais ou menos 1%, e a tensão entregue ao consumidor final mantida dentro de uma faixa de mais ou menos 5% em torno da tensão nominal. Lembramos que, na verdade, existe uma faixa de variação permitida para cada caso de fornecimento de tensão. Se o fornecimento for feito em tensão primária de distribuição, a largura da faixa é de 10% da tensão nominal, mas, se for feito em baixa tensão, esta pode atingir até 13% da tensão nominal. Fases da operação As atividades de operação têm sido estruturadas quanto à cronologia de execução em três fases: pré-despacho, despacho e pós-despacho, conforme ilustrado na Figura anos 1 mês 1 dia 0 1 ano Figura 1.5 Planejamento da operação Programação da operação Pré-despacho Fases da operação. Despacho Estatística, contabilização e análise da operação Pós-despacho capítulo 1 Sistema elétrico de potência 9

10 Essas três fases da operação podem ser caracterizadas da seguinte forma: ATENÇÃO O Plano Anual da Operação Energética (PLANO, 2011) avalia as condições de atendimento ao SIN no período de maio/2011 a dezembro/2015. Pré-despacho: compreende o planejamento da operação a médio e longo prazos e a programação da operação. O planejamento da operação é o conjunto de estudos elétricos e energéticos realizados pelo Plano Anual da Operação Energética (PE), que tem como objetivo apresentar as avaliações das condições de atendimento ao mercado de energia elétrica previsto do Sistema Interligado Nacional (SIN) para o horizonte do planejamento da operação energética cinco anos à frente. As análises tomam por base a carga prevista, a oferta existente, as ligações inter-regionais, as expansões previstas de geração e transmissão, os condicionantes referentes à segurança operativa e as restrições ambientais das águas existentes nas bacias hidrográficas. Despacho: compreende, basicamente, a supervisão e o controle da operação, mas inclui ainda atividades de programação, como a liberação de equipamentos. Em resumo, considera-se como despacho aquelas atividades com período de um dia. A supervisão e o controle são realizados pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) por meio do Centro Nacional de Operação do Sistema (CNOS) e dos Centros Regionais de Operação do Sistema (COSRs), os quais, em conjunto, operam então o Sistema Interligado Nacional (SIN). Os centros de operação realizam o constante monitoramento da Rede de Operação, efetuando a correção das condições operativas em função das variações da carga e do estado dos equipamentos, inclusive com alterações na modalidade de operação de Controle Automático de Geração (CAGs) (abordado mais adiante). Pós-despacho: compreende as atividades ligadas aos registros estatísticos, à contabilização dos fluxos de energia e à análise da operação. Manutenção e operação de equipamentos de subestações Além disso, devemos levar ainda em consideração, em um sistema de distribuição, dois fatores consagrados para aquilatar sua qualidade: 1. Continuidade de serviço: significa reduzir ao mínimo o número de desligamentos de circuitos e, quando ocorrerem, restabelecê-los no mais curto prazo possível. 2. Tensão de suprimento: deve ser mantida entre limites estreitos em relação à tensão nominal ou de suprimento. A continuidade de serviço, comumente chamada de confiabilidade, aumenta o custo do sistema de distribuição a ser empregado. Um sistema de distribuição em condições de se restabelecer o mais rápido possível em caso de defeito faz crescer o consumo da área e, como consequência, corresponde a um aumento de receita que contrabalança os investimentos necessários para aumentar a continuidade de serviço. Evidentemente, estudos técnicos e econômicos são necessários para a decisão. 10

11 A complexidade do sistema aumenta na mesma proporção que se aumenta o grau de confiabilidade, requerendo o emprego de equipamentos e dispositivos de proteção mais sofisticados para o melhor desempenho do sistema. CURIOSIDADE Como vimos, a demanda por energia elétrica é crescente. A partir da privatização das concessionárias de energia elétrica, a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) vem aumentando as exigências para que elas busquem melhorar cada vez mais seus padrões de qualidade, confiabilidade e continuidade no fornecimento de energia. Vamos analisar de forma mais detalhada a fase de despacho de carga, que seria, no escopo desta obra, a fase de maior interesse. Ressaltamos, entretanto, que as três fases são extremamente importantes para o bom desempenho de um sistema elétrico. Despacho de carga O sistema elétrico brasileiro opera de forma interligada, isto é, vários sistemas elétricos de diversas empresas operam de forma conjunta. Assim, empresas como a COPEL (Paraná) podem fornecer energia elétrica para a CEMIG (Minas Gerais). Há muitas vantagens nesta forma de operar o sistema elétrico, mas, para isso, deve haver um rígido controle de carga e frequência para tornar a operação satisfatória. Podemos agora, dentro desse tipo de controle, separar a fase de despacho em três grandes subáreas: supervisão, controle e reprogramação. CURIOSIDADE No Brasil, quase todo o sistema de transmissão de energia faz parte do SIN (Sistema Interligado Nacional); logo, a energia pode ter sido gerada em qualquer parte do país. Supervisão: nesta fase, devemos nos manter permanentemente informados sobre as condições operativas do sistema. Qualquer variação pode ser importante para o controle do sistema, e deve-se estar atento, pois poderá ser necessária atuação no sentido de restabeler as condições normais de funcionamento. 11

12 Controle: controlar um sistema elétrico significa executar todas as ações necessárias para a manutenção dos níveis de tensão e frequência programados por meio do programa de operação que o planejamento da operação disponibiliza ao despacho de carga diariamente. Esse programa contém todos os intercâmbios de potência com todas as empresas do sistema elétrico interligado hora a hora, ou seja, da 00:00 até as 23:00 de um dia, sabe-se exatamente o quanto se deve gerar e transmitir de energia para consumo em sua própria área ou para intercâmbio com outras empresas. Reprogramação: embora a premissa de controle de uma programação preestabelecida seja a ideal para a operação de um sistema elétrico, variações intempestivas podem ocorrer, motivadas por alterações bruscas nas configurações das linhas. Além disso, a violação dos limites estabelecidos nos níveis de tensão ou intercâmbio pode impor alterações na programação, pois o fluxo de potência é variável. Como o consumo varia a cada momento em função das necessidades dos consumidores, a geração também terá que ser variável, pois a cada instante a geração de todas as fontes do sistema elétrico deverá se adequar à carga solicitada pelos consumidores. Assim, reprogramação significa adequar o programa de operação que está sendo realizado às condições do sistema elétrico de potência no momento considerado. PARA REFLETIR Tendo em vista as variações de carga em determinados momentos, é necessário realizar aumento ou diminuição da geração. Como isso acontece? ATENÇÃO A potência produzida por um gerador somente pode ser modificada pela alteração da potência mecânica da máquina motriz. Veja como exemplo a representação mais simples de um sistema elétrico de potência (na Figura 1.6). A máquina motriz (turbina) é acionada pela energia primária (água, carvão, etc.), desenvolvendo uma potência mecânica que acionará o gerador. Quando a carga é conectada ao gerador, a energia se desloca do gerador para a carga. O gerador funciona à velocidade constante, portanto qualquer acréscimo de carga provocará queda de rotação no conjunto máquina motriz gerador. Dessa forma, haverá uma queda de tensão na carga. Para retornar às condições iniciais, mais energia deve ser adicionada à máquina motriz. Independentemente do recém-exposto, é no controle do sistema que se realiza ou se pode visualizar as situações citadas. Dessa forma, verificaremos mais profundamente o controle da operação interligada. 12

13 Potência mecânica Potência elétrica Turbina Gerador Carga Figura 1.6 potência. Representação do funcionamento de um sistema elétrico de Quando há um sistema interligado, deve-se ter pleno controle da frequência e dos fluxos de carga nas interligações. Assim, podemos afirmar que três condições são normalmente aceitas: 1. Cada sistema (área de controle) deve possuir reserva de geração para atender às suas variações de carga com uma frequência normal. 2. Cada sistema (área de controle) deve operar de forma a evitar a transferência de suas responsabilidades de regulação (mudanças na geração resultante da variação de carga em um sistema adjacente) para um sistema vizinho. 3. Cada sistema (área de controle) deve equilibrar a cada instante sua carga com sua geração, para que na interligação o fluxo real seja igual aos valores programados. Para tanto, há equipamentos de controle, chamados de CAG (Controle Automático de Geração), e três formas de se atuar nesses equipamentos para a operação do sistema interligado. São elas: Frequência constante, também conhecida como FF (flat frequency). Intercâmbio constante, também conhecido como FTL (flat tie line). Intercâmbio e frequência constantes, também conhecidos como TLB (tie line bias). Na primeira forma de operação, FF, controlamos somente a frequência, de modo que não verificamos os intercâmbios. Este tipo de operação normalmente é utilizado em sistemas isolados, pois a frequência é a única grandeza afetada com a variação de carga. Pode-se operar nesta modalidade em um sistema interligado quando há algum problema ou restrição no sistema elétrico, por exemplo, usinas em manutenção. capítulo 1 Sistema elétrico de potência 13

14 Quando olhamos somente para o fluxo de intercâmbio, estamos operando em FTL, operação que mantém o fluxo de intercâmbio constante nas interligações, independentemente do que aconteça com a frequência. Nenhum dos dois modos de operação anteriores satisfaz as três condições citadas; logo, o melhor modo de operação é o TLB, sistema que responde tanto às variações de frequência como às variações de intercâmbio, mantendo-as em seus valores programados. Atualmente, os CAGs são totalmente computadorizados. Muitas das ações e decisões que antigamente eram tomadas pelos operadores de sistemas (despachantes) hoje são tomadas de maneira totalmente automatizada, embora as decisões de restauração de um sistema com a saída intempestiva de um equipamento por qualquer problema ainda seja realizada pelo despacho. Energia elétrica perdida Resistência A resistência pode ser definida como o elemento que limita o fluxo de corrente em um circuito. Essa limitação é convertida em calor. A potência consumida em um circuito elétrico com resistência é dada pela fórmula: P(watts) 5 R(ohms). I 2 (amperes) Manutenção e operação de equipamentos de subestações O valor da resistência em um circuito é função da resistividade do material condutor utilizado: onde ρ 5 resistividade do material L 5 comprimento R 5 ρ. A 5 área da seção transversal do material 14

15 Indutância A indutância em um sistema elétrico pode ser definida como o elemento que se opõe às variações de fluxo de corrente, armazena energia em um campo magnético quando a corrente cresce e devolve energia quando a corrente decresce. Capacitância A capacitância pode ser definida como a propriedade dos circuitos elétricos que armazena energia elétrica em um meio isolante. A capacitância ocorre quando dois condutores são separados por um dielétrico no caso de um sistema de potência, o ar. Em circuitos contendo capacitância, a corrente necessária para carregar o dielétrico varia em função da variação da tensão. Todo sistema elétrico de potência, através de suas linhas de transmissão ou distribuição, possui esses três elementos, que combinados produzem as potências ativa e reativa. Como vimos, o efeito da indutância em um sistema elétrico é retardar as variações de corrente. Assim, dizemos que a corrente está atrasada em relação à tensão quando nosso circuito for predominantemente indutivo. No caso da capacitância, a taxa de variação da tensão é o que caracteriza o circuito. Neste caso, dizemos que a corrente está adiantada em relação à tensão. Em circuitos puramente resistivos, ou seja, de resistência, a corrente varia de forma proporcional à tensão (V 5 RI), então temos a corrente em fase com a tensão (Fig. 1.7). DEFINIÇÃO Potência ativa é a potência que realiza o trabalho ou, em outras palavras, é a potência convertida de forma elétrica em outra forma não elétrica, como, por exemplo, em mecânica ou calor. A potência reativa sempre causa aumento da corrente em um sistema de corrente alternada, o que resulta em um aumento das perdas neste sistema. PARA SABER MAIS Um dielétrico, também conhecido como um tipo de isolante elétrico, possui um número muito pequeno de elétrons livres. Nesses materiais, é necessária uma grande quantidade de energia para libertar os elétrons de suas órbitas, porém só uns poucos podem ser desalojados de cada vez. Materiais como vidro, borracha, plástico e cerâmica estão entre os melhores isolantes, assim como o ar seco. (VAN VALKEN- BURG; NEVILLE, 1996.) 15

16 R L C Circuito puramente resistivo: corrente em fase com a tensão Circuito puramente indutivo: corrente atrasada em relação à tensão Circuito puramente capacitivo: corrente adiantada em relação à tensão I E I E Sentido de rotação I Sentido de rotação E Figura 1.7 Circuitos de resistência, indutância e capacitância. Portanto, indutância e capacitância têm efeitos contrários em um sistema elétrico. Em determinada frequência, esses efeitos se anularão, situação conhecida como ressonância. Considere um rádio: ao colocarmos as bobinas e os capacitores em ressonância com a frequência da estação que desejamos, a sintonizamos. Manutenção e operação de equipamentos de subestações Reatância indutiva A medida da oposição que o indutor oferece às variações de fluxo de corrente é feita através da reatância indutiva (X L ). O valor da reatância indutiva é diretamente proporcional à indutância L (em henrys) e à frequência f da corrente. A unidade de reatância indutiva é em ohms e é calculada da seguinte forma: Para 60 Hz, teremos X L 5 2π. f. L X L L 16

17 Reatância capacitiva A medida da oposição que o capacitor oferece à variação da corrente é dada pela sua reatância capacitiva (X C ). O valor da reatância capacitiva é inversamente proporcional à capacitância C (em farads) e à frequência f da corrente. A unidade de reatância capacitiva é em ohms e é calculada da seguinte forma: X C 5 Para 60 Hz, teremos X C 5 Na realidade, a condição de ressonância ocorre quando igualamos as reatâncias capacitivas e as reatâncias indutivas. O comportamento do sistema é o mesmo no caso da predominância de uma delas, ou seja, se a reatância indutiva (X L ) for maior que a reatância capacitiva (X c ), a corrente estará em atraso de um ângulo θ em relação à tensão; se a reatância capacitiva (X c ) for predominante em relação à reatância indutiva (X L ), a corrente estará adiantada de um ângulo θ em relação à tensão. Impedância Todos os sistemas elétricos possuem resistências, reatâncias indutivas e reatâncias capacitivas, e por isso os efeitos das três afetarão os fluxos de corrente no sistema. O efeito de R, X L e X C é chamado de impedância e notado pela letra Z, que é a soma algébrica das três grandezas e medida em ohms: Z 5 R 1 j(x L X C ) (ohms) ATENÇÃO j é igual à raiz quadrada de 1. Potências Em um circuito elétrico, a potência instantânea absorvida pela carga pode ser expressa pelo produto da corrente pela tensão, ou P 5 v. i. Já em corrente alternada, as grandezas, sendo senodais, são representadas por: v 5. U. sen v. t e i 5. I. sen (v. t 2 f) 17

18 onde U 5 valor eficaz da tensão I 5 valor eficaz da corrente f 5 defasagem entre a onda senoidal de corrente e a onda senoidal da tensão Logo, podemos descrever a potência como: P 5 (. U. sen v. t). (. I. sen (v. t 2 f)) P 5 U. I cos f 2 U. I cos (2 v. t 2 f) Portanto, vemos que a potência instantânea é dividida em duas parcelas. A primeira parcela corresponde à potência instantânea que é sempre fornecida à carga, chamada de potência ativa. A segunda é a potência que não chega à carga, mas é trocada entre as reatâncias indutivas e capacitivas, chamada de potência reativa. Podemos, então, representar a potência por: S 5 P 1 jq onde S 5 potência aparente em VA P 5 potência ativa em W Q 5 potência reativa VAr Agora, podemos calcular a potência em função de uma carga que seja representada por uma impedância: Manutenção e operação de equipamentos de subestações Z 5 R 1 jx 5 Z cos f 1 j Z sen f U 5 Z. I S 5 ZI 2 S 5 P 1 jq 5 RI 2 1 jxi 2 P 5 RI 2 e Q 5 XI 2 O triângulo das potências pode ser visto na Figura 1.8. O fator de potência de um circuito fica então determinado por: potência ativa (W) Fp 5 cos u 5 potência aparente (VA) 18

19 Potência aparente Potência reativa θ Potência ativa Figura 1.8 Triângulo das potências. A potência reativa em um sistema elétrico sempre causa um aumento da corrente, o que resulta no aumento das perdas. Pelas relações anteriormente mostradas, podemos perceber que, quando a corrente é aumentada, por exemplo, se for duplicada, pelo fato de estar ao quadrado na relação, as perdas quadruplicam. As perdas devidas ao reativo podem ocorrer mesmo que o fator de potência da carga em uma linha seja unitário. Como as capacitâncias e as indutâncias são distribuídas ao longo da linha, para linhas de transmissão operando com pouca carga ou a vazio, é necessário o fornecimento de reativo capacitivo, pois ocorrerá um aumento da tensão no terminal receptor que é prejudicial ao sistema. Em outras palavras, podemos dizer que linhas a vazio ou subcarregadas geram potência reativa. Da mesma forma, se tivermos um aumento da carga, teremos uma maior queda de tensão nesta linha, o que também não é desejável. Por sua vez, linhas sobrecarregadas absorvem potência reativa; como consequência, sempre necessitamos de suprimento de reativo, quer em carga pesada ou em carga leve, para auxiliar no controle da tensão de nosso sistema. DICA Para realizarmos o fornecimento de reativos ao sistema, podemos utilizar qualquer máquina síncrona (geradores, motores ou compensadores), ajustando a corrente de campo da máquina. A melhoria dos níveis de tensão ou a manutenção aos níveis adequados de tensão ocorrerá quando conectarmos a máquina ao barramento: quando for superexcitada, ela fornecerá reativo e, quando subexcitada, absorverá reativo, ou seja, em um barramento qualquer do sistema, quando a máquina for superexcitada, teremos fornecimento de reativo e elevação da tensão na barra, e, quando a máquina for subexcitada, teremos a absorção de reativo e diminuição da tensão na barra. Outra forma de alcançar esses resultados seria pela colocação de bancos de capacitores para inserção no sistema em caso de aumento da carga ou inserção de reatores em derivação para a compensação quando da operação da linha a vazio ou com carga leve. Os bancos de capacitores são operados sob carga e instalados normalmente nas extremidades ou nos pontos médios das linhas; já os reatores são instalados diretamente entre a linha e a terra ou no enrolamento terciário de transformadores. capítulo 1 Sistema elétrico de potência 19

20 RESUMO Com base no que vimos a respeito do sistema elétrico de potência, que corresponde à geração, transmissão e distribuição de energia elétrica (seu consumo) é necessário o uso de vários equipamentos, como disjuntores, transformadores, para-raios, seccionadoras, relés, etc., para garantir a eficiência na geração e no consumo de energia, bem como a continuidade, a qualidade e a economia da operação de um sistema de potência. NO SITE Acesse o ambiente virtual de aprendizagem para fazer as atividades relacionadas ao que foi discutido neste capítulo. Manutenção e operação de equipamentos de subestações 20