Dando continuidade ao tema discutido anteriormente "Visão geral de uma instalação elétrica", hoje abordaremos as diferentes formas e tecnologias de transmissão desta energia.
Formas e tecnologias de transmissão de Energia Elétrica
Transmissão de energia elétrica é o processo de transportar energia entre dois pontos. O transporte é realizado por linhas de transmissão de alta potência, geralmente usando corrente alternada, que de uma forma mais simples conecta uma usina ao consumidor.
A transmissão de energia é dividida em duas faixas: a transmissão propriamente dita, para potências mais elevadas ligando grandes centros, e a distribuição, usada dentro de centros urbanos, por exemplo.
Cada linha de transmissão possui um nível de tensão nominal, onde encontramos valores até de 750 kV em corrente alternada e tensões superiores em corrente contínua, com diversos estudos e protótipos em 1 a 1,2MV. As linhas de distribuição são usualmente nas faixas de 13,8kV, 24kV e 36kV no Brasil. Para a conversão entre níveis de tensão, são usados como equipamento fundamental o transformador de potência. Os transformadores de grande porte (para grandes elevações ou diminuições na tensão do sistema) encontram-se normalmente nas subestações.
Em sistemas de grande porte, é usual a interligação redundante entre sistemas, ou ainda a ligação em anel, formando uma rede. O número de interligações aumenta a confiabilidade do sistema, mas intensifica a complexidade e o custo de construção e operação. A interligação pode tanto contribuir para o suprimento de energia quanto para a propagação de falhas do sistema. Por exemplo: um problema que ocorra em um ponto da rede pode afundar a tensão nos pontos a sua volta e acelerar os geradores, sendo necessário o desligamento de vários outros pontos, incluindo centros consumidores, provocando um blecaute.
Os componentes fundamentais de um sistema de transmissão são torres, isoladores e subestações. Para linhas aéreas, é necessário erguer os cabos a uma distância segura do solo, evitando contato elétrico com pessoas, vegetação e veículos que eventualmente atravessem a região. As torres devem suportar os cabos em condições extremas, determinadas basicamente pelo tipo de cabo, regime de ventos da região, terremotos, entre outros eventos.
Isoladores - Os cabos devem ser suportados pelas torres mediante isoladores, evitando a dissipação da energia através da estrutura. Estes suportes devem garantir a rigidez dielétrica e suportar o peso dos cabos. Em geral, são constituídos de cerâmica, vidro ou polímeros.
As linhas de transmissão são conectadas às subestações. Uma subestação é uma instalação elétrica de alta potência, contendo equipamentos para transmissão e distribuição de energia elétrica, além de equipamentos de proteção e controle. Funciona como ponto de controle e transferência em um sistema de transmissão de energia elétrica, direcionando e controlando o fluxo energético, transformando os níveis de tensão e funcionando como pontos de entrega para consumidores industriais. Durante o percurso entre as usinas e as cidades, a eletricidade passa por diversas subestações, onde aparelhos intitulados como transformadores aumentam ou diminuem a sua tensão. Ao elevar a tensão elétrica no início da transmissão, os transformadores evitam a perda excessiva de energia ao longo do percurso. Ao rebaixarem a tensão elétrica perto dos centros urbanos, permitem a distribuição da energia por toda a cidade. Apesar de mais baixa, a tensão utilizada nas redes de distribuição ainda não está adequada para o consumo residencial imediato. Por isso, se faz necessária a instalação de transformadores menores, instalados nos postes das ruas, para reduzir ainda mais a tensão que vai para as residências, estabelecimentos comerciais e outros locais de consumo.
É importante lembrar que o fornecimento de energia elétrica no Brasil é feito por meio de um grande e complexo sistema de subestações e linhas de transmissão, interligadas às várias usinas de diversas empresas. Assim, uma cidade não recebe energia gerada por uma única usina, mas por diversas usinas - hidrelétricas, termelétricas ou nucleares - que constituem o chamado Sistema Interligado Nacional (SIN).
A origem histórica se perdeu e hoje ninguém sabe informar porque se usa o termo subestação para estas instalações.
Sistemas de transformação
Um transformador é um dispositivo destinado a transmitir energia elétrica ou potência elétrica de um circuito a outro, induzindo tensões, correntes e/ou de modificar os valores das impedâncias elétricas de um circuito elétrico. Geralmente é usado para elevar a tensão de modo a reduzir as correntes em circuito de transmissão e assim reduzir perdas por efeito Joule, ou seja, calor, ou baixar a tensão para fornecer energia a circuitos de uso final, como motores, eletrodomésticos e outros usos finais.
Inventado em 1831 por Michael Faraday, os transformadores são dispositivos que funcionam através da indução de corrente conforme os princípios do eletromagnetismo, ou seja, ele funciona baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday-Neumann-Lenz e da Lei de Lenz, onde se afirma que é possível criar uma corrente elétrica em um circuito uma vez que esse seja submetido a um campo magnético variável, e é por essa necessidade da variação no fluxo magnético que os transformadores só funcionam em corrente alternada.
Um transformador é formado basicamente de:
Enrolamento - O enrolamento de um transformador é formado de várias bobinas que, em geral, são feitas de cobre eletrolítico e recebem uma camada de verniz sintético como isolante.
Núcleo - esse, em geral, é feito de um material ferromagnético e o responsável por transferir a corrente induzida no enrolamento primário para o enrolamento secundário.
Esses dois componentes do transformador são conhecidos como parte ativa, os demais componentes do transformador fazem parte dos acessórios complementares.
No caso dos transformadores de dois enrolamentos, é comum se os denominar como enrolamento primário e secundário, existem transformadores de três enrolamentos sendo que o terceiro é chamado de terciário. Há também os transformadores que possuem apenas um enrolamento, ou seja, o enrolamento primário possui uma conexão com o enrolamento secundário, de modo que não há isolação entre eles, esses transformadores são chamados de autotransformadores.
Um transformador trifásico possui internamente 3 transformadores que podem ser ligados de diferentes modos. Ligando os enrolamentos primários em triângulo e os enrolamentos secundários em estrela, ficamos com um conjunto em que o primário recebe corrente trifásica e no secundário temos três fases e neutro (sendo o neutro o centro da estrela). Temos, desta forma, tensões de fase (estrela) e tensões de linha (triângulo).
No caso da distribuição de energia elétrica temos 380 volts entre fases, temos 3 situações dessas (entre as fases R e S ; S e T ; R e T) e temos 220 volts entre qualquer uma das fases e o neutro.
O transformador é baseado em dois princípios:
Descrito via lei de Biot-Savart, afirma-se que corrente elétrica produz campo magnético (eletromagnetismo);
Descrito via lei da indução de Faraday, que afirma que um campo magnético variável no interior de uma bobina ou enrolamento de fio induz uma tensão elétrica nas extremidades desse enrolamento (indução eletromagnética). A tensão induzida é diretamente proporcional à taxa temporal de variação do fluxo magnético no circuito. A alteração na corrente presente na bobina do circuito primário altera o fluxo magnético nesse circuito e também na bobina do circuito secundário, esta última montada para encontrar-se sob influência direta do campo magnético gerado no circuito primário. A mudança no fluxo magnético na bobina secundária induz uma tensão elétrica na bobina secundária.
Um transformador ideal é apresentado na figura acima.
Ao ser passada através da bobina do circuito primário, a corrente cria um campo magnético. A bobina primária e secundária são ambas enroladas sobre um núcleo de material magnético de elevada de permeabilidade magnética, a exemplo um núcleo de ferro, de modo que a maioria do fluxo magnético passa através de ambas as bobinas.
Se um dispositivo elétrico é conectado ao enrolamento secundário, uma vez que a corrente e a tensão aplicadas ao circuito primário tenham os sentidos indicados, a corrente e a tensão elétricas no dispositivo (usualmente denominado por "carga" do circuito) terão também sentidos definidos, como os indicados na figura. Na prática, os transformadores operam com tensões e correntes alternadas, de forma que as marcações na figura representam a rigor, as relações de fase entre os sinais no circuito primário e secundário visto que as tensões e correntes estão constantemente alternando seus sentidos a fim de prover um fluxo magnético variável.
Os transformadores são classificados de acordo com vários critérios. As classificações conforme a finalidade, o tipo, o material do núcleo e o número de fases são algumas das mais importantes.
Definição por finalidade:
Transformadores de corrente
Transformadores de potência
Transformadores de distribuição
Transformadores de força
Definição quanto ao tipo
Dois ou mais enrolamentos
Autotransformador
Quanto ao material do núcleo
Ferromagnético
Núcleo de ar
Definição quanto ao número de fases
Monofásico
Trifásico
Polifásico
Para se reduzir as perdas, os núcleos de muitos transformadores são laminados para reduzir a indução de correntes parasitas ou de Foucault, no próprio núcleo. Em geral, se utiliza aço-silício com o intuito de se aumentar a resistividade e diminuir ainda mais essas correntes parasitas. Esses transformadores são chamados transformadores de núcleo ferromagnético. Há ainda os transformadores de núcleo de ar, que possui seus enrolamentos em contato com a atmosfera.
Transformadores também podem ser utilizados para o casamento de impedâncias. Esse tipo de ligação consiste em modificar o valor da impedância vista pelo lado primário do transformador, são em geral de baixa potência.
Transformadores de potência
Os transformadores são as máquinas mais importantes de todo o sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica em corrente alternada. Com eles, manipulamos a tensão e as impedâncias com vários objetivos, e que variam ao longo do sistema.
Os transformadores trifásicos ou de potência são destinados a rebaixar ou elevar a tensão e consequentemente elevar ou reduzir a corrente de um circuito, de modo que não se altere a potência do circuito. Esses transformadores podem ser divididos em dois grupos:
Transformador de força - Esses transformadores são utilizados para gerar, transmitir e distribuir energia em subestações e concessionárias. Possuem potência de 5 até 300 MVA.
Transformador de distribuição - esses transformadores são utilizados para rebaixar a tensão para ser entregue aos clientes finais das empresas de distribuição de energia. São normalmente instalados em postes ou em câmaras subterrâneas. Possuem potência de 15 a 300 kVA; o enrolamento de alta tensão tem tensão de 15, 24,2 ou 36,2 kV, já o enrolamento de baixa tensão tem 380/220 ou 220/127V.
Formas e tecnologias de distribuição - Generalidades
Distribuição de energia elétrica ou distribuição de eletricidade é a etapa final no fornecimento de energia elétrica. Compreende a parte do sistema elétrico ligado ao subsistema de transmissão, através do qual faz-se a entrega da energia elétrica aos consumidores.
Geralmente, um circuito de distribuição inicia-se em um disjuntor de despacho de carga em uma subestação (distribuição primária em média tensão) ou em um posto de transformação (distribuição secundária em baixa tensão).
Na prática, mediante ramificações de cabos elétricos ao longo de ruas, a movimentação da energia aos consumidores conectados ao sistema elétrico, é visível.
As subestações de distribuição ligam-se ao sistema de transmissão e reduzem a tensão de transmissão para uma tensão média entre 1kV e 36kV com o uso dos transformadores. As linhas de distribuição primária transportam a alta tensão até aos transformadores de distribuição localizados próximos às instalações do cliente.
Transformadores de distribuição novamente diminuem esta tensão para a sua utilização por eletrodomésticos e normalmente alimentam vários clientes mediante linhas de distribuição secundária com níveis de baixa tensão.
Clientes comerciais e residenciais estão conectados às linhas de distribuição secundária por meio de quedas de serviço. Os clientes que exigem uma quantidade muito maior de energia (clientes industriais) podem ser conectados diretamente ao nível de distribuição primária ou ao nível de sub transmissão.
A distribuição de energia elétrica e outros processos ligados a este sistema são de responsabilidade das empresas de distribuição local e pode ser feita mediante redes aéreas usando postes, isto é normal em zonas rurais e suburbanas, ou redes subterrâneas, em que cabos elétricos são instalados sob o solo no interior de dutos subterrâneos, isto é comum em zonas urbanas e zonas rurais em que os regulamentos de segurança exijam.
A distribuição de energia a partir de uma subestação é sempre organizada, protegida e manobrada por dispositivos que tem as seguintes funções:
Os disjuntores e interruptores permitem que a subestação seja desconectada da rede de transmissão ou que as linhas de distribuição sejam desconectadas.
Seccionadores que permitem isolar um circuito de outro, com segurança.
Os transformadores diminuem as tensões de transmissão, 35kV ou mais, até as tensões de distribuição primária. Estes são circuitos de média tensão, geralmente 1kV-36kV.
A partir do transformador, a energia trafega pelo barramento que pode dividir a energia para distribuição em várias direções. O barramento distribui a energia às linhas de distribuição até os clientes.
As redes de distribuição são divididas em dois tipos, radiais e malhas. Um sistema radial é organizado como uma árvore onde cada cliente tem uma fonte de suprimento. Um sistema em malha tem múltiplas fontes de suprimento operando em paralelo. As malhas são usadas para cargas concentradas. Os sistemas radiais são comumente usados em áreas rurais ou suburbanas.
Os sistemas radiais geralmente incluem conexões de emergência onde o sistema pode ser reconfigurado em caso de problemas, como uma falha ou substituição necessária, ou atendimento a uma contingência. Isto pode ser feito abrindo e fechando interruptores, seccionadores ou religadores.
Alimentadores longos experimentam queda de tensão, distorção do fator de potência ou outros tipos de distorções, exigindo que os capacitores ou reguladores de tensão sejam instalados.
A reconfiguração, através da troca de ligações funcionais entre os elementos do sistema, representa uma das medidas mais importantes que podem melhorar o desempenho operacional de um sistema de distribuição.
O problema da otimização através da reconfiguração de um sistema de distribuição de energia, em termos de sua definição, é um problema único. Desde 1975, quando se introduziu a ideia de reconfiguração do sistema de distribuição para a redução da perda de potência ativa, até hoje muitos pesquisadores propuseram diversos métodos e algoritmos para resolver o problema de reconfiguração como um único problema objetivo. Essa reconfiguração do sistema pode ser realizada por rejeição escalonada de carga ou por seletividade. Alguns autores propuseram abordagens baseadas na otimização de Pareto (incluindo as perdas de energia ativa e os índices de confiabilidade como objetivos).
Distribuição secundária
A distribuição urbana é, em muitos países civilizados, principalmente subterrânea, mas no Brasil, essa realidade não se aplica. A distribuição rural e urbana na maior parte do Brasil é aérea.
Mais próximo do cliente, um transformador de distribuição reduz a alimentação de distribuição primária para um circuito secundário de baixa tensão, geralmente 110, 115, 120, 127, 220 ou 230V, dependendo da região. A energia vem ao cliente através de um circuito ramal e um medidor de energia.
Distribuição primária
As tensões de distribuição primária variam de 11 a 36kV. Apenas os grandes consumidores são alimentados diretamente a partir de tensões de distribuição, visto que podem contar com maior capital para investimento nos equipamentos, que são de sua propriedade e reponsabilidade, mas compensatório o investimento, pois a energia é mais barata quando adquirida em tensão primária de distribuição.
A maioria dos clientes de serviços públicos está conectada a um transformador, o que reduz a tensão de distribuição para a baixa tensão usada pelos sistemas de iluminação e a cablagem interior.
A tensão varia de acordo com o seu papel no sistema de abastecimento e distribuição. De acordo com as normas internacionais, existem inicialmente dois grupos de tensão: baixa tensão (BT): até e incluindo 1kVCA e alta tensão (AT): acima de 1 kVCA.
Bibliografia
HÉMERY, Daniel; BEBIER, Jean Claude; DELÉAGE, Jean-Paul. Uma História da Energia. Brasília: Editora Universidade de Brasília. 1993.
GUIMARÃES, Orliney Maciel; KUWABARA, Izaura Hiroko. Calorias: a energia contida nos alimentos. UFPR – Universidade Federal do Paraná, 2011. Departamento de Quíca. Disponível em: <http://www.quimica.ufpr.br/ eduquim/pdf/experimento8.pdf>. Acesso em: 16 fev. 2011.
FARIAS, Leonel Marques; SELLITTO, Miguel Afonso. Uso da energia ao longo da história: evolução e perspectivas futuras. Revista Liberato, Novo Hamburgo, v. 12, n. 17, p. 01-106, jan./jun. 2011
TESSMER, Hélio. Uma síntese histórica da evolução do consumo de energia pelo homem. Novo Hamburgo, 2002. Disponível em: <http://www. liberato.com.br/upload/arquivos/0131010716090416. pdf>. Acesso em 16 fev. 2011.
HÉMERY, Daniel; BEBIER, Jean Claude; DELÉAGE, Jean-Paul. Uma História da Energia. Brasília: Editora Universidade de Brasília. 1993.
TERCIOTE, Ricardo. Eficiência energética de um sistema eólico isolado. UNICAMP, Campinas: 2002. Disponível em:<http:// www.feagri.unicamp.br/energia/agre2002/ pdf/0100.pdf>. Acesso em: 20 fev. 2011.
DUTRA, Ricardo Marques. Viabilidade técnico-econômica da energia eólica face ao novo marco regulatório do setor elétrico brasileiro. Rio de Janeiro, 2001. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/teses_mestrado/200102_dutra_r_m_ms.pdf>. Acesso em: 20 fev. 2011.
AMARAL, Danilo. História da Mecânica - O motor a vapor. UFPB, 2010. Disponível em:<http://www.demec.ufmg.br/port/d_online/diario/Ema078/historia%20do%20motor%20 a%20vapor.pdf>. Acesso em: 22 fev. 2011. CGEE – Centro de Gestão e Estudos Energéticos.
Website TODA MATERIA :<http:// https://www.todamateria.com.br/tipos-de-energia/>. Acesso em: 01 maio. 2018.
Website Wikipedia :<https://pt.wikipedia.org/wiki/>. Acesso em: 26 maio. 2018.
©Todos os direitos reservados a Cordeiro Cabos Elétricos S/A ( Programa Energy Master)
Comments