Linha de Geração Rede de Distribuiç ão Transm issão 1. ORGANIZAÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA - SEP 1- Aspectos Organizacionais No Brasil por força da Constituição Federal, o Poder Concedente, que regula e fiscaliza a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica é federal. Deste modo, as concessões são de responsabilidade do Ministério de Minas e Energia (MME), enquanto a regulação e a fiscalização são exercidas pela ANEEL - Agência Nacional do Setor Elétrico. Além da agência reguladora federal (ANEEL) e das estaduais, existem outros organismos também importantes e vitais para a adequada coordenação da expansão e operação do sistema: ONS Operador Nacional do Sistema, encarregado de planejar e coordenar a operação elétrica e energética de todo o sistema brasileiro; EPE - Empresa de planejamento Energético, encarregada de planejar a expansão dos sistemas elétrico e energético; CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica, responsável pelos contratos de compra e venda de energia e pela contabilidade da energia fornecida ou recebida pelos geradores, distribuidores, consumidores livres e comercializadores. Para facilitar a descrição e o entendimento das atividades abrangidas por este tópico, vamos dividi-las em três segmentos que compõem o sistema elétrico de potência, a seguir: geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Vamos também realizar uma pequena abordagem sobre os aspectos da operação de sistemas elétricos no Brasil. Sistema Elétrico de Potência (SEP), em sentido amplo é o conjunto de todas as instalações e equipamentos destinados à geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. O mercado de energia elétrica experimenta um crescimento da ordem de 4,5% ao ano, devendo ultrapassar a casa dos 100 mil mw em 2008. O sistema elétrico brasileiro apresenta como particularidade grandes extensões de linhas de transmissão e um parque produtor de geração predominantemente 1
hidráulica. O mercado consumidor (47,2 milhões de unidades) concentra-se nas regiões Sul e Sudeste, mais industrializadas. A região Norte é atendida de forma intensiva por pequenas centrais geradoras a maioria, termelétricas a óleo diesel. Os sistemas de energia elétrica possuem uma estrutura baseada em uma organização vertical e numa organização horizontal, como mostra o diagrama abaixo. PRODUÇÃO LINHA INTERLIGAÇÃO PRODUÇÃO SISTEMA DE TRANSMISSÃO SISTEMA DE TRANSMISSÃO NÍVEL DE TRNSMISSÃO SISTEMA DE SUB- TRANSMISSÃO SISTEMA DE SUB- TRANSMISSÃO NÍVEL DE SUBTRANSMISSÃO NÍVEL DE DISTRIBUIÇÃO SISTEMA DISTRIB. SISTEMA DISTRIB. PRIMÁRIO SECUNDÁRIO CONSUMIDORES Pequenos Médios Grandes Muito Grandes Na organização vertical distinguimos geralmente três níveis: Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica. 2- Geração ou Produção de Energia Elétrica Por geração ou produção entende-se a Conversão de uma forma qualquer de energia em energia elétrica. 2
De acordo com os dados apresentados pela ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, o Brasil possui o total 1.528 empreendimentos em operação, gerando 94.194.710 kw de potência e sua atual Matriz de Energia Elétrica é a seguinte: T E R M E L É T R I C A S Tipo MATRIZ DE ENERGIA ELÉTRICA DO BRASIL Empreendimentos em Operação Capacidade Total Instalada % n. de n. de (kw) (kw) Usinas Usinas % Hidro 607 71.848.487 70,19 607 71.848.487 70,19 Gás Natural 72 9.886.953 9,66 Processo 26 925.748 0,90 98 10.812.701 10,56 Petróleo Óleo Diesel 521 3.572.554 3,49 Óleo Residual 18 1.163.970 1,14 539 4.736.524 4,63 Bagaço de Cana 222 2.324.550 2,27 Licor 13 782.617 0,76 Negro Biomassa 264 3.346.429 3,27 Madeira 25 212.832 0,21 Biogás 2 20.030 0,02 Casca de Arroz 2 6.400 0,01 Carvão Mineral Carvão Mineral 7 1.415.000 1,38 7 1.415.000 1,38 Nuclear 2 2.007.000 1,96 2 2.007.000 1,96 Eólica 10 28.550 0,03 10 28.550 0,03 Paraguai 5.650.000 2,33 Importação Argentina 2.250.000 5,85 Venezuela 200.000 0,08 8.170.000 7,98 Uruguai 70.000 0,20 Total 1.527 102.364.691 100 1.527 102.364.691 100 Normalmente as fontes de energia elétrica ditas convencionais são as usinas hidrelétricas de grande porte (com potência acima de 30 MW) e as usinas termelétricas. A geração de energia por usinas hidrelétricas representa mais de 70% de nossa produção, concentrando-se nas Regiões Sul e Sudeste do país. Podemos definir os seguintes termos, de acordo com a NBR 5460 - Sistemas Elétricos de Potência: 3
2.1 Usina (Elétrica) É a instalação elétrica destinada a gerar energia elétrica em escala industrial, por conversão de outra forma de energia. 2.2 Usina Hidrelétrica É a usina elétrica na qual a energia elétrica é obtida por conversão da energia gravitacional da água. Podemos encontrar usinas hidrelétricas do tipo: 2.2.1 Usina (hidrelétrica) a fio d água Usina hidrelétrica que utiliza diretamente a vazão do rio, tal como se apresenta no local. 2.2.2 Usina (hidrelétrica) com acumulação - Usina hidrelétrica que dispõe do seu próprio reservatório de regularização. Nas grandes usinas o nível de tensão na saída dos geradores está normalmente na faixa de 6 a 25 kv. Com ralação às usinas termelétricas, apresentam em geral como característica básica, um menor custo de construção, maior custo de operação e de manutenção e a possibilidade de serem alocadas mais próximas do mercado consumidor. Os Sistemas Isolados Brasileiros, predominantemente térmicos e majoritariamente localizados e dispersos na Região Norte, encontram-se fora do SIN - Sistema Interligado Nacional. Esses sistemas atendem uma área de 45% do território e cerca de 3% da população nacional, ou seja, aproximadamente 1,2 milhão de consumidores. Representam 3,4% da capacidade de produção de eletricidade nacional. Baseados na NBR 5460, definimos alguns termos relacionados a essa forma de geração. 2.3 - Usina Termelétrica Usina elétrica na qual a energia elétrica é obtida por conversão da energia térmica. Os tipos mais utilizados no Brasil são: 2.3.1 Unidade (Termelétrica) a combustão interna Unidade termelétrica cujo motor primário é um motor de combustão interna 2.3.2 - Unidade (Termelétrica) a gás Unidade termelétrica cujo motor primário é uma turbina a gás. 2.3.3 - Unidade (Termelétrica) a turbina - Unidade termelétrica cujo motor primário é uma turbina a vapor. 2.3.4 Usina Nuclear Usina termelétrica que utiliza a reação nuclear como fonte térmica. As usinas termelétricas movidas a carvão mineral, óleo combustível, gás natural ou nucleares são também classificadas como fontes de energia elétrica convencionais, assim como a hidrelétrica, observando que em ambos os casos os geradores são do tipo síncrono operando na freqüência nominal de 60 Hz, que é a freqüência dos sistemas elétricos brasileiros. No caso de geração nuclear, as usinas normalmente são situadas o mais próximo possível dos locais de consumo com o objetivo de minimizar os custos de 4
transmissão, dependendo também dos aspectos de segurança e conservação ambiental. Como fontes alternativas de energia elétrica existem uma gama de possibilidades, incluindo energia solar fotovoltaica, usinas eólicas, usinas utilizandose da queima de biomassa (madeira, cana-de-açúcar, por exemplo) e outras fontes menos usuais como as que utilizam a força das marés. Devido aos longos prazos de maturação de projetos de geração de grandes envergaduras, no Brasil, vêm sendo desenvolvidos estudos para verificação da viabilidade técnica e dos custos associados á transmissão de energia da Amazônia para as regiões Nordeste, Sudeste e Centro-Oeste do país, na qual estão envolvidas distâncias superiores a 2000 km. 3 Transmissão Baseados na função que exerce, podemos definir transmissão como o transporte de energia elétrica caracterizado pelo valor nominal de tensão: a) entre a subestação elevadora de uma usina elétrica e a subestação abaixadora em que se inicia a subtransmissão, o que alimenta um sistema de distribuição, o que fornece energia elétrica a um grande consumidor ou; b) entre as subestações que fazem a interligação dos sistemas elétricos de dois concessionários, ou áreas diferentes do sistema de um mesmo concessionário. As tensões usuais de transmissão adotadas no Brasil em corrente alternada podem variar de 138 KV até 765 KV, incluindo neste intervalo as tensões de 230 KV, 345 KV, 440 KV e 500 KV. As redes com tensões nominais iguais ou superiores a 230 KV forma a chamada rede Básica de transmissão. Os sistemas de subtransmissão contam com níveis mais baixos de tensão, tais como 34,5 KV, 69 KV ou 88 KV e 138 KV e alimentam subestações de distribuição. Normalmente operam em tensões inferiores àquelas dos sistemas de transmissão, não sendo, no entanto, incomum operarem com uma tensão também existente nestes. Nascem nos barramentos das subestações regionais e terminam em subestações abaixadoras locais. Das subestações regionais, em geral, saem diversas linhas de subtransmissão tomando rumos diversos. Em um sistema é possível haver também dois ou mais níveis de tensões de subtransmissão, como ainda um sub-nível de subtransmissão. No Brasil existe um sistema que opera em corrente contínua, o Sistema de Itaipu, com nível de tensão de ± 600 kv DC. 5
No caso de transmissão em corrente alternada, o sistema elétrico de potência é constituído basicamente pelos geradores, estações de elevação de tensão, linhas de transmissão, estações seccionadoras e estações transformadoras abaixadoras. Na transmissão em corrente contínua a estrutura é essencialmente a mesma, diferindo apenas pela presença das estações conversoras junto á subestação elevadora (para retificação da corrente) e junto à subestação abaixadora (para inversão da corrente) e ainda pela ausência de subestações intermediárias abaixadoras ou de seccionamento. As linhas de transmissão em corrente contínua apresentam custo inferior ao de linhas em corrente alternada enquanto que as estações conversoras apresentam custo elevado. Portanto, a transmissão em corrente contínua apresenta-se vantajosa na interligação de sistemas com freqüências diferentes ou para transmissão de energia a grandes distâncias. Sob o ponto de vista físico e elétrico, as linhas de transmissão e de subransmissão se confundem e os métodos de cálculo são os mesmos. Em algumas empresas as linhas de subtransmissão ficam sujeitas aos seus departamentos de distribuição, que as planejam, projetam, constroem e operam. Em outras empresas elas estão a cargo dos departamentos encarregados das linhas e subestações. É uma opção de organização administrativa. Para efeito didático, extraímos algumas definições da NBR 5460, as quais transpomos abaixo: 3.1 Subtransmissão transmissão de energia elétrica entre uma subestação abaixadora de um sistema de transmissão e uma ou mais subestações de distribuição. 3.2 Subestação Parte de um sistema de potência concentrada em um dado local, compreendendo primordialmente as extremidades de linhas de transmissão e/ou de distribuição, com os respectivos dispositivos de manobra, controle e proteção, incluindo as manobras civis e estruturas de montagem, podendo incluir também, transformadores, equipamentos conversores e outros equipamentos. Podemos citar dentre os tipos de subestação: 3.2.1- Subestação Elevadora Subestação transformadora na qual a tensão de saída é maior que a tensão de entrada. 3.2.2- Subestação Abaixadora Subestação transformadora na qual a tensão de saída é menor que a tensão de entrada. 3.2.3 Subestação de Manobra (chaveamento) Subestação cuja finalidade principal é modificar a configuração de um sistema elétrico, mediante modificação das interligações de linhas de transmissão. 3.2.4 Subestação telecontrolada (desassistida) Subestação nãoatendida cuja operação é controlada a distância. 6
3.3 Linhas Conjunto de condutores, isoladores e acessórios, destinado a transportar energia elétrica entre dois pontos de um sistema elétrico. Compõem-se basicamente de três partes principais: a) Estruturas (ou suportes) e acessórios; b) Cadeias de isoladores e acessórios; c) Cabos condutores e acessórios. Protegendo este conjunto, encontramos a malha ou dispositivo de aterramento, composto de cabos pára-raios, fios terra e contrapeso. Em resumo, sob o ponto de vista funcional e operacional podemos dizer que a estrutura de um sistema elétrico pode ser dividida em várias subestruturas baseadas nos seus diversos níveis de tensão: geração, transmissão, subtransmissão e distribuição (primária e secundária), essa última objeto de nosso estudo no próximo item. À medida que a demanda de energia aumenta, mais fontes necessitam serem exploradas e novas linhas de transmissão necessitam serem construídas para conectar essas novas estações geradoras aos novos pontos de distribuição e também às estações já existentes, surgindo assim a interligação de sistemas. Essas interligações podem propiciar um melhor aproveitamento das disponibilidades energéticas de regiões com disponibilidades energéticas com características distintas. São economicamente vantajosas e aumentam a confiabilidade do suprimento às cargas, embora implique numa maior complexidade de operação do sistema. Um exemplo é a interligação dos sistemas Sudeste/Centro- Oeste e Sul do Brasil, que apresentam sensíveis diferenças de hidraulicidade de seus rios, uma vez que os períodos chuvosos não são coincidentes nas várias bacias hidrográficas. 7
4 Distribuição Por definição, é a transferência de energia elétrica para os consumidores, a partir dos pontos onde se considera terminada a transmissão (ou subtransmissão), até a medição de energia, inclusive. Os principais componentes do sistema elétrico de distribuição são: Redes primárias; Redes secundárias; Ramais de serviço e entrada; Medidores; Transformadores de distribuição; Capacitores e reguladores de rede; As linhas de transmissão e de subtransmissão convergem para as estações de distribuição, que é uma subestação rebaixadora que alimenta um sistema de distribuição, onde a tensão é abaixada, usualmente para o nível de 13,8 kv. Destas subestações originam-se alguns alimentadores que se interligam aos transformadores de distribuição da concessionária ou a de consumidores em tensão primária. Define-se Sistema (de distribuição) Primário, como sendo o conjunto dos alimentadores de um dado sistema de distribuição, incluindo os primários dos transformadores de distribuição pertinentes. São linhas de tensões suficientemente baixas para ocuparem vias públicas e suficientemente elevadas para assegurarem uma boa regulação, mesmo para potências razoáveis. Às vezes desempenham o papel de linha de subtransmissão em pontas de sistemas. Consumidores cuja carga instalada seja superior a 75 kw serão atendidos em tensão primária, tensão nominal de média ou alta tensão, dependendo de sua demanda. Dentre os outros níveis de tensão primária de distribuição ainda encontrados no Brasil, podemos citar: 2,3 kv; 3,8 kv ; 6,6 kv; 11,9 kv; 23 kv; 34,5 kv. A energia em tensão primária de distribuição é entregue a um grande número de consumidores tais como indústrias, centros comerciais, grandes hospitais etc. Os alimentadores primários suprem um grande número de transformadores de distribuição que abaixam o nível para a tensão secundária para o uso doméstico e de pequenos consumidores comercias. 8
Quanto ao nível de tensão de distribuição dos sistemas secundários, observamse os seguintes valores nominais mais freqüentes: sistema de 220/127 volts (entre fases e entre fase e neutro) e o sistema de 380/220 volts, deriváveis de sistemas trifásicos com neutro, e o sistema de 220/110 volts derivável de sistemas monofásicos. Esses sistemas incluem os secundários dos transformadores de distribuição pertinentes e os ramais de ligação dos consumidores. Operam com as tensões mais baixas do sistema e em geral seu comprimento não excede de 200 a 300 m. O Centro de Operação da Distribuição COD é o órgão destinado a supervisionar e coordenar as atividades operativas do sistema de distribuição, sua filosofia básica é a de centralização do comando operativo da rede elétrica em um só órgão e local e visa proporcionar: Adequado atendimento aos consumidores; Controle e análise das interrupções, visando minimizá-las; Manutenção da configuração planejada; Melhores condições operativas, diminuindo os riscos; Dinamização e controle das manutenções. Atualmente, o mercado de distribuição de energia elétrica atende cerca de 47 milhões de unidades consumidoras, das quais 85% são consumidores residenciais, em mais de 99% dos municípios brasileiros. Ao longo dos últimos 20 anos o consumo de energia elétrica apresentou índices de expansão elevados devido à expressiva participação das classes de consumo residencial, comercial e rural, enquanto o segmento industrial teve participação menor. 5 Aspectos sobre a Operação de Sistemas Elétricos Tanto os grandes motores industriais quanto os equipamentos eletrodomésticos, são projetados e construídos para trabalharem dentro de certas faixas de tensão e freqüência, fora das quais pode apresentar funcionamentos não satisfatórios ou até mesmo se danificarem. Essas exigências básicas impõem à operação dos sistemas elétricos um adequado controle da tensão e da freqüência na rede, a qual está sujeita às mais variadas solicitações de carga, as quais variam ano a ano, mês a mês e, o mais importante, podendo variar muito durante um único dia, devido por exemplo, à demanda nos horários de pico quando comparada com a da madrugada. Como não é possível armazenar energia elétrica comercialmente, deve ser produzida, a cada instante, na medida da demanda requerida. 9
Além das variações de carga previstas, há também as de natureza aleatória, tais como a conexão e desconexão de cargas por manutenção ou defeito de instalações da planta industrial ou comercial que ocasionam alterações, em geral, pequenas na freqüência e tensão da rede. Defeitos na rede que provocam o desligamento de linhas, geradores, grandes blocos de carga ou de interligações entre sistemas, podem ocasionar oscilações ou variações mais significativas, as quais os equipamentos de controle procuram minimizar. A freqüência é controlada automaticamente nos próprios geradores através dos reguladores de velocidade, equipamentos que injetam mais ou menos água, vapor ou gás nas turbinas que acionam os geradores, dependendo do aumento ou diminuição da demanda. O controle da tensão pode ser feito remotamente nas usinas, através dos reguladores automáticos de tensão, podendo também ser efetuado em nível de transmissão, de subtransmissão e de distribuição. De um modo geral, o controle junto à carga é bem mais efetivo, uma vez que o controle remoto pode não ser suficiente. O controle é feito automaticamente por meio de transformadores com controle de tap, por compensadores síncronos ou compensadores de reativos estáticos e, manualmente, por meio de conexão ou desconexão de bancos de capacitores e/ou reatores em derivação. Além dos aspectos ligados ao controle de tensão e da carga/freqüência, na operação das redes interligadas existe o problema de como distribuir as cargas entre as diversas usinas do sistema, nas diversas situações de demanda. À alocação dessa geração dá-se o nome de despacho da geração, de cujo estabelecimento depende muito a operação racional e eficaz do sistema como um todo. É interessante ressaltar também que existem sistemas automáticos de supervisão e controle ou de despacho automático. O controle é feito por algoritmos de simulação/decisão em computador com dados monitorados continuamente sobre o carregamento das linhas de transmissão, as gerações das diversas usinas e o estado da rede de transmissão. 10
Referências Bibliográficas: CIPOLI, José Adolfo - Engenharia de Distribuição, Rio de Janeiro - RJ, 1993, Qualitymark Editora. FUCHS, Dário Rubens Transmissão de Energia Elétrica - Linhas Aéreas, Rio de Jane iro 1979, Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. NBR 5460 Sistemas Elétricos de Potência, 1992, ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro RJ. www.aneel.gov.br, acessada em 10/05/2006 às 20h. www.ons.org.br, acessado em 10/05/2006 às 18h. www.eletrotec.pea.usp.br, Fornecimento de Energia Elétrica, acessada em 16/05/2006 às 17h. 11