UNIVERSIDADE DO VALE DO TAQUARI – UNIVATES
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ANÁLISE E ALTERNATIVAS PARA CORREÇÃO DOS NÍVEIS DE
TENSÃO EM ALIMENTADOR PRIMÁRIO DE DISTRIBUIÇÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA – ESTUDO DE CASO
Lucas Auta de Oliveira
Lajeado, julho de 2020
Lucas Auta de Oliveira
ANÁLISE E ALTERNATIVAS PARA CORREÇÃO DOS NÍVEIS DE
TENSÃO EM ALIMENTADOR PRIMÁRIO DE DISTRIBUIÇÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA – ESTUDO DE CASO
Monografia apresentada na disciplina de Trabalho de
Conclusão de Curso – Etapa II, do Curso de
Engenharia Elétrica, da Universidade do Vale do
Taquari – Univates, como parte da exigência para a
obtenção do título de Bacharel em Engenharia
Elétrica.
Orientador: Prof. Me. Yuri Solis Stypulkowski
Lajeado, julho de 2020
Lucas Auta de Oliveira
ANÁLISE E ALTERNATIVAS PARA CORREÇÃO DOS NÍVEIS DE
TENSÃO EM ALIMENTADOR PRIMÁRIO DE DISTRIBUIÇÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA – ESTUDO DE CASO
A Banca examinadora abaixo aprova a Monografia apresentada na disciplina de Trabalho de
Conclusão de Curso II, na linha de formação específica em Engenharia Elétrica, da
Universidade do Vale do Taquari - Univates, como parte da exigência para obtenção de grau de
Bacharel em Engenharia Elétrica:
Prof. Me. Yuri Solis Stypulkowski - Orientador
Universidade do Vale do Taquari – Univates
Prof. Dr. Juliano Schirmbeck
Universidade do Vale do Taquari – Univates
Prof. Dr. Luciano Hennemann
Universidade do Vale do Taquari – Univates
Lajeado, julho de 2020
Dedico a minha família que me apoiou constantemente na conclusão da graduação, a
Deus pela proteção das inúmeras e cansativas viagens de Fontoura Xavier a Lajeado, aos meus
colegas de trabalho que contribuíram para o meu crescimento profissional e aos meus amigos
por sempre estarem ao meu lado.
Agradeço imensamente a empresa CERFOX por acreditar no meu potencial e colaborar
para conclusão da graduação, aos professores da Univates, em especial meu orientador Yuri
Solis Stypulkowski por não medir esforços para me auxiliar nas disciplinas e neste trabalho e a
todos os meus colegas colaboradores da CERFOX.
RESUMO
Este trabalho foi elaborado a partir necessidade que a Cooperativa de Distribuição de Energia
Elétrica - CERFOX tem de regular periodicamente seus níveis de tensão, de acordo padrões
regulatórios exigidos pela ANEEL, que aplica limites de variação da tensão em regime
permanente. Caso estes níveis estiverem fora dos limites, a distribuidora estará sujeita a
penalizações como multas. Realizando um estudo em cima dos níveis de tensão de um dos
alimentadores da Cerfox, que faz tomada de energia junto a distribuidora RGE, foi verificado
o comportamento da tensão deste sistema e após realizar o levantamento das informações, do
gerenciamento técnico da empresa e dos softwares utilizados no cadastro das informações,
fizeram-se as devidas exportações das informações técnicas para a plataforma de simulação. As
simulações e modelagens do fluxo de potência foram realizadas no software SINAPgrid, uma
plataforma que possibilita a análise de redes elétricas, permitindo tanto o planejamento quanto
a operação de todos os sistemas que distribuem energia elétrica. Este trabalho propôs duas
alternativas técnicas para a devida adequação dos níveis de tensão nos cenários analisados. Os
resultados mostraram que a segunda alternativa, comportou-se de forma adequada com a
demanda utilizada atualmente e com a análise de crescimento de consumo trazendo um
resultado satisfatório. Dessa forma a alternativa dois deverá ser analisada economicamente, e
sendo viável executá-la no alimentador. Este projeto será um piloto, podendo ser aperfeiçoado
e aplicado aos demais alimentadores da Cerfox, garantindo uma energia com mais qualidade,
sendo entregue ao consumidor.
Palavras-chave: Níveis de tensão. Distribuição de energia elétrica. Melhoria. Fluxo de
Potência. SINAPgrid.
ABSTRACT
This work was prepared based on the need that the Electric Energy Distribution Cooperative -
CERFOX has to periodically regulate its voltage levels, according to regulatory standards
required by ANEEL, which imposes limits of minimum and maximum variation for the voltage
in permanent regime. If these levels are outside the limits, the distributor will be subject to
penalties such as fines. Conducting a study on the voltage levels of one of the feeders of Cerfox,
which makes power outlets with the RGE distributor, the behavior of the voltage of this system
was verified and after collecting the data, the technical management of the company and the
software used in the registration of information, due exports of technical information were made
to the simulation platform. Power flow simulations and modeling were performed using the
SINAPgrid software, a platform that enables the analysis of electrical networks, allowing both
the planning and the operation of all systems that distribute electricity. This work proposed two
technical alternatives for the proper adaptation of the tension levels in the analyzed scenarios.
The results showed that the second alternative, behaved adequately with the demand currently
used and with the analysis of consumption growth bringing a satisfactory result. Thus,
alternative two should be analyzed economically, and it is feasible to execute it on the feeder.
This project will be a pilot, being able to be perfected and applied to other Cerfox feeders,
guaranteeing a more quality energy, being delivered to the consumer.
Keywords: Voltage levels. Distribution of electricity. Improvement. Power flow. SinapGRID.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Ilustração do Sistema Elétrico de Potência .............................................................. 21
Figura 2 - Esquema de geração hidrelétrica ............................................................................. 23
Figura 3 - Parque eólico situado no Rio Grande do Sul ........................................................... 25
Figura 4 - Painéis fotovoltaicos ................................................................................................ 26
Figura 5 - UTE Euzébio Rocha Localizada no município de Cubatão (SP) ............................ 27
Figura 6 - Capacidade instalada do SIN 2018/2023 ................................................................. 27
Figura 7 - Linhas de transmissão .............................................................................................. 29
Figura 8 - Área das concessionárias no Rio Grande do Sul ..................................................... 31
Figura 9 - Área das permissionárias e autorizadas no Rio Grande do Sul ............................... 32
Figura 10 - Configuração radial simples .................................................................................. 36
Figura 11 - Configuração radial com recurso ........................................................................... 36
Figura 12 - Configuração em anel ............................................................................................ 37
Figura 13 - Ilustração de um transformador ............................................................................. 39
Figura 14 - Esquemático transformador de corrente ................................................................ 40
Figura 15 - Modelos de transformador de potencial ................................................................ 41
Figura 16 - Transformadores de distribuição ........................................................................... 42
Figura 17 - Esquemático de um transformador com TAP variável .......................................... 44
Figura 18 - Transformadores com diferentes tipos de comutadores ........................................ 45
Figura 19 - Ilustração das potências ativa e reativa .................................................................. 48
Figura 20 - Triângulo retângulo das potências ......................................................................... 48
Figura 21 - Triangulo das potências 1 ...................................................................................... 49
Figura 22 - Triangulo das potências 2 ...................................................................................... 50
Figura 23 - Esquema básico de um autotransformador ............................................................ 53
Figura 24 – Esquema na função de redução da tensão ............................................................. 53
Figura 25 – Esquema na função de elevação da tensão ............................................................ 54
Figura 26 - Esquema do regulador de tensão ........................................................................... 54
Figura 27 - Diagrama de um autobooster na configuração de elevação da tensão ................... 55
Figura 28 - Diagrama de um autobooster na configuração de redução da tensão .................... 56
Figura 29 - Instalação autobooster em poste ............................................................................ 57
Figura 30 - Esquema do equipamento de 32 graus ................................................................... 58
Figura 31 - Esquema de ligação do equipamento monofásico ................................................. 58
Figura 32- Esquema de ligação de 2 equipamentos monofásicos ............................................ 59
Figura 33 - Esquema de ligação de 3 equipamentos monofásicos com 3 condutores .............. 60
Figura 34 - Ligação de 3 equipamentos monofásicos com 4 condutores ................................. 60
Figura 35 - Equipamento religador instalado em poste ............................................................ 63
Figura 36 - Diagrama de blocos do desenvolvimento .............................................................. 71
Figura 37 - Localização do ponto de conexão entre alimentadores da CERFOX e RGE ........ 72
Figura 38 - Unifilar do alimentador Arvorezinha com as áreas de atuação ............................. 72
Figura 39 - Programa MIG com imagem na tela da tomada de energia em estudo ................. 74
Figura 40 - Configuração do diagnóstico do fluxo de potência ............................................... 75
Figura 41 - Simulação para o patamar madrugada - situação atual .......................................... 78
Figura 42 – Gráfico da tensão x distância para o patamar madrugada – situação atual ........... 78
Figura 43 - Simulação para o patamar manhã - situação atual ................................................. 79
Figura 44 - Gráfico da tensão x distância para o patamar manhã – rede atual ......................... 80
Figura 45 - Simulação para o patamar tarde - situação atual.................................................... 81
Figura 46 - Gráfico de tensão x distância para o patamar tarde – situação atual ..................... 82
Figura 47 - Simulação para o patamar noite - situação atual.................................................... 83
Figura 48 - Gráfico da tensão x distância para o patamar noite – situação atual ..................... 83
Figura 49 -Trecho em destaque para recondutoramento .......................................................... 85
Figura 50 - Simulação para o patamar madrugada – 1º simulação........................................... 86
Figura 51 - Gráfico da tensão x distância para o patamar madrugada – 1º simulação ............. 87
Figura 52 - Simulação para o patamar manhã – 1º simulação .................................................. 88
Figura 53 - Gráfico da tensão x distância para o patamar manhã – 1º simulação .................... 88
Figura 54 - Simulação para o patamar manhã – 1º simulação .................................................. 89
Figura 55 – Gráfico de tensão x distância para o patamar manhã – 1º simulação ................... 90
Figura 56 - Simulação para o patamar noite – 1º simulação .................................................... 91
Figura 57 - Gráfico de tensão x distância para o patamar noite – 1º simulação ....................... 91
Figura 58 – Simulação para instalação de novos equipamentos .............................................. 93
Figura 59 - Simulação para o patamar madrugada – 2º simulação........................................... 94
Figura 60 - Gráfico da tensão x distância para o patamar madrugada – 2º simulação ............. 94
Figura 61 – Simulação para o patamar madrugada – 2º simulação .......................................... 95
Figura 62 - Gráfico da tensão x distância para o patamar manhã – 2º simulação .................... 96
Figura 63 - Simulação para o patamar tarde – 2º simulação .................................................... 97
Figura 64 - Gráfico da tensão x distância para o patamar tarde – 2º simulação ....................... 97
Figura 65 - Simulação para o patamar tarde – 2º simulação .................................................... 98
Figura 66 - Gráfico da tensão x distância para o patamar tarde – 2º simulação ....................... 99
Figura 67 - Alimentadores Arvorezinha e Nova Alvorada..................................................... 100
Figura 68 - Ferramenta de alocação de capacitores ................................................................ 101
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Tipos de geradores hidrelétricas .............................................................................. 24
Tabela 2 – Projeção do sistema de transmissão para 2017/2023 .............................................. 29
Tabela 3 - Limites de variação de tensão de atendimento ........................................................ 66
Tabela 4 - Dados do alimentador Arvorezinha ......................................................................... 73
Tabela 5 - Patamares horários para fluxo de potência .............................................................. 75
Tabela 6 - Características técnicas condutores CAA................................................................ 85
Tabela 7 - Orçamento da primeira alternativa ........................................................................ 103
Tabela 8 – Orçamento da segunda alternativa ........................................................................ 104
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
AL Alimentador de distribuição
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
AT Alta Tensão
BT Baixa Tensão
CAA Condutor com Alma de Aço
CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica
CERFOX Cooperativa de Distribuição de Energia Elétrica de Fontoura Xavier
CNPE O Conselho Nacional de Política Energética
FP Fator de Potência
MME Ministério de Minas e energia
MT Média Tensão
NBR Norma Brasileira Regulatória
ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico
PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica
SEP Sistema Elétrico de Potência
SIN Sistema Interligado Nacional
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 15
1.1 Objetivo geral .................................................................................................................... 15
1.2 Objetivos específicos ......................................................................................................... 16
1.3 Justificativa do trabalho .................................................................................................. 16
1.4 Delimitação do trabalho ................................................................................................... 17
1.5 Estrutura do trabalho ...................................................................................................... 18
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................... 20
2.1 Sistema elétrico de potência (SEP) .................................................................................. 20
2.2 Órgãos do setor elétrico brasileiro .................................................................................. 21
2.3 Sistema interligado nacional (SIN) ................................................................................. 22
2.4 Geração de energia elétrica ............................................................................................. 22
2.5 Transmissão de energia elétrica ...................................................................................... 28
2.6 Distribuição de energia elétrica ....................................................................................... 29
2.6.1 Redes de distribuição de energia elétrica em média tensão ....................................... 32
2.6.2 Redes de distribuição de energia elétrica em baixa tensão ........................................ 37
2.7 Equipamentos de Distribuição ........................................................................................ 38
2.7.1 Transformadores ........................................................................................................... 38
2.7.1.1 Comutador de derivações .......................................................................................... 43
2.7.2 Capacitores ..................................................................................................................... 45
2.7.2.1 Correção de fator de potência ................................................................................... 47
2.7.2.2 Correção do nível de tensão ....................................................................................... 50
2.7.3 Reguladores de Tensão .................................................................................................. 52
2.7.4 Religadores ..................................................................................................................... 61
2.8 Sistema por unidade (PU) ................................................................................................ 63
2.9 Qualidade do fornecimento de tensão ............................................................................. 65
2.10 SINAPgrid ....................................................................................................................... 67
3 METODOLOGIA ................................................................................................................ 70
3.1 Coleta das informações do alimentador em estudo ....................................................... 71
3.2 Exportação dos dados ....................................................................................................... 73
3.3 Validação das informações .............................................................................................. 74
3.4 Configuração do SinapGRID .......................................................................................... 75
3.5 Identificação de problemas e correções .......................................................................... 76
4 DESENVOLVIMENTO E RESULTADOS ...................................................................... 77
4.1 Análise da situação atual .................................................................................................. 77
4.1.1 Patamar madrugada – situação atual .......................................................................... 77
4.1.2 Patamar manhã – situação atual .................................................................................. 79
4.1.3 Patamar tarde – situação atual .................................................................................... 80
4.1.4 Patamar noite – situação atual ..................................................................................... 82
4.2 Alternativas para correção dos níveis de tensão ............................................................ 84
4.2.1 Recondutoramento ........................................................................................................ 84
4.2.1.1 Patamar madrugada – 1º simulação ......................................................................... 86
4.2.1.2 Patamar manhã – 1º simulação ................................................................................. 87
4.2.1.3 Patamar tarde – 1º simulação .................................................................................... 89
4.2.1.4 Patamar noite – 1º simulação .................................................................................... 90
4.1.2 Instalação de equipamentos reguladores ..................................................................... 92
4.1.2.1 Patamar madrugada – 2º simulação ......................................................................... 94
4.1.2.2 Patamar manhã – 2º simulação ................................................................................. 95
4.1.2.3 Patamar tarde – 2º simulação .................................................................................... 96
4.1.2.4 Patamar noite – 2º simulação .................................................................................... 98
4.1.3 Remanejo de carga ........................................................................................................ 99
4.1.4 Instalação de equipamentos capacitores.................................................................... 100
5 CONCLUSÕES .................................................................................................................. 102
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 106
15
1 INTRODUÇÃO
Para que a energia elétrica chegue nas residências dos consumidores com qualidade e
segurança, é necessário que as distribuidoras sigam as normas de adequação disponibilizadas
pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL).
A proposta do presente estudo é realizar uma análise nos níveis de tensão atuais de um
sistema alimentador de energia elétrica de média tensão (MT) e através da coleta e exportação
dos dados do sistema, realizar a modelagem para aplicação de equipamentos que possam reduzir
as quedas de tensão em média tensão.
Com auxílio da plataforma SINAPgrid foi carregado as informações e características do
circuito alimentador analisado, sendo possível assim, realizar os devidos cálculos de fluxo de
potência para as diversas análises feitas.
Com os resultados obtidos, propor a instalação e ou realocação de equipamentos ou
componentes, buscando a redução da queda de tensão e consequentemente redução dos
impactos dos indicadores de qualidade.
Como produto teremos um estudo do alimentador para aplicação prática e expansível
para os demais alimentadores. Também poderá ser objeto de expansão de estudo para
demonstração de resultados de viabilidade técnica e financeira, para amostragem do retorno de
investimento, relacionado a redução de perdas técnicas e ressarcimentos a consumidores entre
outros benefícios a distribuidora.
1.1 Objetivo geral
16
Este trabalho objetiva realizar a análise da situação dos níveis de tensão em 1 (um) dos
11 (onze) alimentadores primários de energia da Cooperativa de Distribuição de Energia
Fontoura Xavier (CERFOX), visando o levantamento dos dados atualizados do circuito e a
verificação dos níveis de tensão atuais deste sistema.
Com isso, realizar a simulação desde circuito buscando alternativas para a adequar os
seus níveis de tensão para um patamar satisfatório, que atenda os padrões regulatórios atuais.
1.2 Objetivos específicos
Realizar um estudo de caso, levantando os dados necessários de um alimentador no
software Useall Mig utilizado pela Cerfox, que contém as informações técnicas de todos os
ativos de redes de distribuição, aplicando os devidos ajustes e tratamentos destas informações.
Com as informações coletadas da base de dados da Cerfox, realizar a simulação do
alimentador na plataforma SINAPgrid, identificando possíveis problemas e defeitos nos níveis
de tensão no patamar de média tensão deste circuito.
Ainda neste software, estudar e simular possíveis melhorias a serem aplicadas, para
normalização da tensão elétrica na MT, em todo o alimentador.
Por fim, realizar a análise das alternativas escolhidas e escolher a melhor alternativa
técnica financeira possível, que se enquadre nas diretrizes da cooperativa.
1.3 Justificativa do trabalho
O alimentador Arvorezinha tem origem na cidade de Arvorezinha – RS, atendendo as
áreas rurais dos municípios de Arvorezinha, Soledade, Itapuca e Nova alvorada e a área urbana
do município de Itapuca, o tornando um circuito extenso com cargas espalhadas.
Motivado pela ocorrência de reclamações dos consumidores devido aos níveis de tensão
e pela elevada taxa de queda de tensão registrada na MT, devido a tensão entregue na medição,
pela distribuidora onde estamos conectados, oscilando em torno de 0,9 pu.
Também impulsionado pela crescente demanda acaba exigindo cada vez mais dos
componentes da rede, fazendo com que alguns deles, trabalhem com a sua capacidade excedida,
17
se depreciando rapidamente, podendo vir a apresentar defeitos, causando interrupção do
fornecimento de energia.
Dentre os 11 sistemas operados pela Cerfox, este alimentador apresentou características
que mais causaram influência na escolha do mesmo para este trabalho, realizando o tratamento
do fenômeno da subtensão em regime permanente, através da modelagem e simulação de
alternativas para solucionar a mesma.
Algumas alternativas serão analisadas para correção dos níveis de tensão, entre elas
estão:
- Recondutoramento;
- Instalação de capacitores;
- Transferência de cargas; e
- Instalação/realocação de equipamentos reguladores de tensão.
A Cerfox sempre preza por bons serviços e sabendo dos impactos que podem ser
causados pelos indicadores impostos pela ANEEL, busca sempre melhora - lós, elevando a
qualidade do produto entregue aos consumidores, e com isso, acaba se livrando de possíveis
multas, conseguindo satisfazer as necessidades do sistema, impulsionado a cerca de uma
sociedade com crescente demanda.
1.4 Delimitação do trabalho
Este trabalho se aplica ao alimentador situado na cidade de Arvorezinha – RS, nomeado
como AL ARV, sendo uma tomada de energia MT, através de medição indireta, junto a
supridora RGE Sul Distribuidora de Energia S.A., operante na classe de tensão contratada de
23.1 kV, no formato aérea convencional.
Este alimentador tem operação radial simples ou na forma radial com recurso, uma vez
que na segunda forma de operação, em caráter emergencial, serve como fonte secundária para
o alimentador NALV, que alimenta todo o território do município de Nova Alvorada – RS.
Da mesma forma e em caráter emergencial a conexão entre estes dois alimentadores
possibilita que quando há falta de energia no AL ARV, uma parte do seu sistema seja atendido
18
pelo AL NALV. Para este estudo fica considerado o alimentador Arvorezinha como radial
simples, sem a possiblidade da fonte secundária.
Com base nestas características, este trabalho poderá ser aplicado aos demais sistemas
da Cerfox.
Limita – se o estudo para aplicação aos demais sistemas que operam na área de
atendimento da empresa Cerfox.
1.5 Estrutura do trabalho
Em comum acordo com a orientação do trabalho e o departamento de engenharia da
Cerfox, ficou definido que a estruturação do trabalho respeitará os parâmetros da Univates,
porém se adaptará a realidade da empresa onde se está sendo feito o estudo.
Na primeira parte deste trabalho (TCC 1), o objetivo foi levantar todo o referencial
bibliográfico que envolve o tema do assunto, abordando características, objetivos, tipos e
descrições, dos diversos temas envolvidos.
Fazendo uma abordagem resumida e descrevendo de forma prática para um bom
entendimento, abordando todo o funcionamento da distribuição de energia.
Na segunda parte do trabalho (TCC2) foi escolhido um dos alimentadores da empresa
Cerfox que estivesse em condições para realizar estudos de melhoria de seus níveis de tensão.
Nesta segunda parte foram coletados e exportados todos os dados do alimentador necessários
para elaboração do estudado, o caracterizando e revelando as suas necessidades.
Após a escolha do software para simulação deste circuito, os dados do alimentador que
foram exportados do sistema gerencial da empresa, foram carregados na plataforma, sendo feita
as devidas validações e ajustes.
Identificado os problemas nos níveis de tensão deste alimentador, foi proposto algumas
melhorias que foram escolhidas perante as orientações técnicas da Cerfox, que se baseiam nos
benefícios técnico e financeiro da empresa.
19
Por fim, foi realizada as devidas análises dentre as alternativas propostas e escolhida a
que melhor correspondeu com os aspectos técnicos e financeiros, como também o menor
impacto em indicadores.
20
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Sistema elétrico de potência (SEP)
No Brasil como no mundo, tudo que é feito depende da energia elétrica, resultando em
uma demanda que cresce constantemente, impactando no aumento da necessidade de pesquisas
em tecnologias para otimização do seu fornecimento, garantindo confiabilidade e segurança no
sistema e qualidade no produto entregue para os consumidores.
Quando se referimos ao Sistema Elétrico de Potência (SEP), podemos dizer que é o
grupo que contém as instalações e equipamentos que constituem a geração, transmissão,
subtransmissão e da distribuição de energia elétrica.
Em modo geral, o SEP tem como objetivo, garantir a geração de energia, seja na
quantidade suficiente para atender a demanda do mercado nacional, sendo que para isso, exista
a necessidade da construção de usinas geradoras em locais adequados.
Logo após, tem toda a transmissão de toda a energia gerada, para atender os grandes
centros de cargas, para que finalmente possa realizar a distribuição aos consumidores
individuais.
As empresas que estão inseridas no SEP, procuram realizar todas estas etapas de modo
a obter o melhor custo técnico, financeiro e ecológico possível, visando atender a demanda,
satisfazendo os índices de qualidade, conforme definido pelas pelos órgãos fiscalizadores. É
composto conforme podemos ver na Figura 1.
21
Figura 1 - Ilustração do Sistema Elétrico de Potência
Fonte: Adolpho (2019).
- Geração: É a aquisição seguido da transformação da energia originária das fontes
geradoras primárias.
- Transmissão: Condução da energia das unidades geradoras para os grandes centros de
consumo, fazendo também, a interligação dos diversos sistemas do Brasil, através das linhas
instaladas em torres de transmissão de alta tensão (AT).
- Distribuição: Neste ramo ocorre a rebaixamento da tensão para níveis mais seguros,
realizado nas subestações abaixadoras, sendo denominada distribuição primária de energia. A
distribuição em patamar de baixa tensão ou secundária, ocorre com os equipamentos
transformadores, que realizam nova redução, ficando a energia elétrica em níveis adequados
para utilização em equipamentos elétricos, denominada rede de baixa tensão.
- Utilização: A utilização da energia acontece quando é transformada, ficando apta os
consumidores utilizarem este produto, para as mais diversas finalidades nas suas residências.
2.2 Órgãos do setor elétrico brasileiro
22
As atividades pertencentes ao sistema elétrico de potência brasileiro são orientadas por
normas e leis emanadas dos poderes legislativo e executivo e dos órgãos reguladores.
Dentro dos principais órgãos que estão no setor que são importantes e vitais para a
perfeita coordenação e adequação da expansão e operação do sistema, podemos citar:
ANEEL - A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), autonomia em regime
especial vinculada ao Ministério de Minas e Energia (MME), foi criada para regular o setor
elétrico brasileiro, por meio da Lei nº 9.427/1996 e do Decreto nº 2.335/1997 (ANEEL, 2019).
CCEE - A Câmara de Comercialização de Energia Elétrica flexibiliza as atividades de
compra e venda de energia elétrica em todo país, realizando reuniões para tratamento da
evolução do mercado, sempre orientada pelos pilares da isonomia, transparência e
confiabilidade (CCEE, 2019).
ONS - O Operador Nacional do Sistema Elétrico é a parte que coordena e controla as
operações das instalações de geração e transmissão de energia elétrica no SIN e pela
organização das operações dos sistemas isolados do país, sob os olhos da ANEEL (ONS, 2019).
2.3 Sistema interligado nacional (SIN)
Sistema interligado nacional é um sistema que foi desenvolvido para coordenar e
controlar os diversos sistemas geradores de energia elétrica e todos os sistemas que transmitem
e distribuem de energia que está sobre o território do país, sendo que, apenas uma parcela de
1,7 % da produção energética do país não está dentro do SIN.
Conforme o aumento da demanda, mais fontes de energia precisam ser identificadas e
novos sistemas de transmissão necessitam ser estudados e construídos para realizar o transporte
desta energia até os novos pontos de consumo, elevando a gama de possibilidades de
configurações dos sistemas através de novas interligações, levando a um melhor
aproveitamento energético das regiões brasileiras com características distintas.
2.4 Geração de energia elétrica
A primeira etapa do SEP é a geração de energia elétrica que é feita através de fontes
renováveis como o sol, água e o vento, como também através de fontes não renováveis como
os combustíveis fosseis.
23
Ao decorrer dos anos foram feitas descobertas de tecnologias capazes de gerar energia
elétrica, que através de turbinas e geradores, podem se transformar as outras formas de energia,
como a eólica e solar, em eletricidade.
As diversas formas possíveis de geração podem ser encontradas no Brasil, e as mais
comuns são:
Geração hidroelétrica – A principal opção de gerar energia no país, devido a sua
extensa bacia hidrográfica, utiliza o movimento das águas dos rios para realizar o movimento
das turbinas geradoras instaladas nas diversas hidrelétricas.
Podemos ver na Figura 2, um esquemático de como funciona uma usina hidrelétrica.
Figura 2 - Esquema de geração hidrelétrica
Fonte: Geo-Conceição (2019).
Esta forma de geração é uma das que tem o melhor custo-benefício por possuir um
vasto recurso hídrico, mas por outro lado, é a forma que mais causa danos ambientais, devido
as mudanças que são necessárias na sua construção, gerando impactos na fauna e flora, variando
conforme o tamanho.
Segundo informações contidas no Atlas de Energia Elétrica do Brasil, elaborado pela
ANELL em 2008. Estipula - se que o potencial hidráulico de geração de energia do Brasil seja
de 260 GW.
De acordo ANEEEL as usinas hidrelétricas têm três classificações, conforme a sua
potência instalada, conforme a Tabela 1.
24
Tabela 1 - Tipos de geradores hidrelétricas
Tipo Sigla Potência instalada
Centrais Geradores Hidrelétricas CGH ≤ 1 MW
Pequenas Centrais Hidrelétricas PCH > 1MW ≤ 30 MW
Usina Hidrelétrica de Energia UHE > 30 MW
Fonte: ANEEL (2019).
Geração eólica – Forma de geração de energia que utiliza a força do vento para
movimentar os aerogeradores das turbinas, que posteriormente acionam os geradores
conectados a eles.
Segundo a ANEEL, denomina-se energia eólica a energia cinética contida
nas massas de ar em movimento (vento). Seu aproveitamento ocorre por meio da
conversão da energia cinética de translação em energia cinética de rotação, com o
emprego de turbinas eólicas, também denominadas aerogeradores, para a geração de
eletricidade, ou cata-ventos (e moinhos), para trabalhos mecânicos como
bombeamento d’água (ANEEL, 2019).
Esta forma de geração tem um alto custo de implantação para uma usina eólica, sendo
que em contrapartida, os impactos ambientais causados são baixos.
As estimativas apontadas pela Eletrobrás em 2010, mostram um potencial de geração
eólica de 143,5 Gigawatts no Brasil, sendo este volume ficando acima da potência instalada
total no país daquele mesmo ano. O maior potencial de gerar energia são as regiões nordeste,
sudeste e sul do Brasil.
No nosso estado temos o parque nacional de Osório, localizado no município de Osório,
que é referência nacional, conforme a Figura 3.
25
Figura 3 - Parque eólico situado no Rio Grande do Sul
Fonte: Município de Osório (2019).
Geração solar - Obtida com a luz do sol que é captada através de painéis fotovoltaicos,
é a forma de geração de energia que vem crescendo muito nos últimos anos no país e que vem
ganhando grande projeção no sistema elétrico brasileiro através da implementação de projetos
de micros e minigeração distribuídas.
Os custos de implantação destes sistemas ainda são elevados para determinados
projetos, mas obteve uma queda nos preços nestes últimos 10 anos, estimulado pela crescente
demanda dos brasileiros por essa modalidade de geração, uma vez que, desde 2012, quando
começou a vigorar a Resolução Normativa ANEEL nº 482/2012, permitindo e capacitando o
consumidor a gerar sua energia própria, como a solar, ou também, através de cogeração
qualificada, sendo possível ainda, entregar o excedente de geração para a rede de distribuição
da distribuidora local.
Algumas empresas estão apostando na construção de usinas de geração solar, instalando
muitos painéis fotovoltaicos em áreas grandes de terra, como é possível ver na Figura 4.
26
Figura 4 - Painéis fotovoltaicos
Fonte: Portal Solar (2019).
Geração termoelétrica – Forma de geração de energia que é realizada através da
queima de combustíveis fósseis, como carvão vegetal e mineral gás natural, petróleo, diesel,
gasolina, entre outras substâncias. Basicamente nas termoelétricas, a queima de carvão vegetal
aquece a caldeira com água, produzindo vapor em alta pressão que move a turbina do gerador,
sendo no caso das nucleares, o aquecimento da água é feito através reações nucleares. Por fim,
após ter realizado o movimento das turbinas, o vapor é condensado e resfriado, podendo ser
aplicado em novos ciclos que se repete inúmeras vezes.
No Brasil, a energia proveniente de usinas termoelétricas é utilizada de maneira
estratégica, sendo acionadas durante os períodos de estiagem, quando as usinas hidroelétricas
não conseguem atender a demanda.
Tal atividade tem reflexo na conta que o consumidor paga as distribuidoras, sendo que
em épocas onde as usinas termoelétricas são acionadas, o valor da energia se torna mais caro,
pelo alto custo de geração que esta modalidade necessita.
Tem o maior impacto ambiental das formas mais utilizadas de geração do SEP.
27
Figura 5 - UTE Euzébio Rocha Localizada no município de Cubatão (SP)
Fonte: Petrobras (2019).
Na figura 6, tem-se uma projeção de crescimento da capacidade de geração do país até
2023, mantendo a forma hidroelétrica predominante.
Figura 6 - Capacidade instalada do SIN 2018/2023
Fonte: ONS (2019).
28
2.5 Transmissão de energia elétrica
A segunda etapa do SEP brasileiro, consiste no transporte em corrente alternada da
energia elétrica, oriunda das usinas geradoras até os grandes centros de consumo, através do
sistema de transmissão que é constituído pelos sistemas de transmissão e pelas subestações.
As redes de transmissão de energia propiciam o transporte da eletricidade
produzida pelas usinas geradoras às diversas subestações de alteração de tensão
elétrica, por meio de cabos aéreos fixados em grandes torres de metal.
Decorrida a travessia de longas distâncias, a eletricidade irá se aproximar dos
centros de consumo, onde outras subestações irão diminuir a tensão elétrica, para que
seja iniciado o processo de distribuição.
O processo de transmissão é parte integrante do Sistema Interligado
Nacional (SIN), que utiliza a malha de transmissão para transferir a energia entre os
diversos subsistemas (ANEEL, 2019).
Este sistema é classificado conforme a faixa de tensão que operam as linhas de
transmissão, variando entre 230 kV e 750 kV para corrente alternada e 800 kV em corrente
contínua, que é pouco utilizada.
Caracterizado pelos valores da tensão em que opera, esta parte do sistema é utilizada
para transporte de energia em grandes distâncias, interligando as usinas aos centros de consumo
como também fazendo interligações entre sistemas de diversas distribuidoras.
Já a parte da subtransmissão, é utilizada para interligação dos sistemas de transmissão
aos de distribuição captando a energia elétrica em volume de maior e transferi – lá para as
Subestações de Distribuição.
Estes circuitos de menor distância operam tipicamente nas faixas de tensões de 230kV
em alguns casos, 138kV e 88kV na região sudeste, 69kV e 44kV de forma rara e 34,5kV sendo
aplicada em novos projetos. O limite de capacidade de potência destas redes de subtransmissão
fica normalmente entre 20 MW e 150 MW.
Conforme podemos ver na Tabela 1, a quantidade de kms das linhas de transmissão
existente no Brasil em 2017 com uma projeção de quilometragem até 2023, conforme os planos
desenvolvidos pelo governo, que visam a ampliação e evolução do sistema de linhas de
29
transmissão, sendo de uma maior importância, devido ao alto investimento envolvido e da
demanda crescente.
Tabela 2 – Projeção do sistema de transmissão para 2017/2023
Tensão de operação Quilometragem em 2017 Quilometragem em 2023
800 kV CC 4.600 km 9.636 km
750 kV 2.683 km 2.683 km
600 kV 12.816 km 12.816 km
500 kV 47.750 Km 71.891 km
440 kV 6.748 km 6.969 km
345 kV 10.320 km 11.492 km
230 kV 56.471 km 69.997 km
TOTAL 141.388 KM 185.484 km
FONTE: ONS (2019).
Figura 7 - Linhas de transmissão
Fonte: Sindicarto dos comerciários (2019).
2.6 Distribuição de energia elétrica
Sendo a terceira etapa do sistema elétrico de potência, contempla as redes de distribuição
de MT e BT, contém todos os equipamentos que transformam e distribuem a energia elétrica
em padrões seguros para o funcionamento dos equipamentos, com tensões típicas de operação
inferiores ou até no máximo a 69 kV. Seu objetivo principal é atender todos os consumidores,
podendo conter geração distribuída.
30
As regulações dos serviços da distribuição estão dispostas no PRODIST, elaborado pela
ANEEL, que normatiza e padroniza todas as atividades técnicas envolvidas no funcionamento
e desempenho dos sistemas elétricos de distribuição, possibilitando o acesso ao sistema,
identificação e classificação dos consumidores, geradores, distribuidoras e agentes que
importam e exportam a energia. Também a aplicabilidade de regras, responsabilidades e multas
relacionadas à conexão, projetos de expansão, operação e medição da energia elétrica, criando
critérios e indicadores de qualidade.
No Rio Grande do Sul, este serviço é realizado por empresas autorizadas
permissionárias, e concessionárias, reguladas pela ANEEL, possuindo atualmente 105
distribuidoras, sendo 54 concessionárias, 38 permissionárias, e 13 cooperativas de eletrização
rural.
Há três grandes concessionárias, Rio Grande Energia (RGE), Rio Grande Energia Sul
(RGE SUL) e Companhia Estadual de Energia Elétrica CEEE - D, que além de trabalhar com
distribuição de energia, atuam também, como supridoras para as concessionárias menores,
permissionárias e autorizadas, e correspondem por 93% da energia comercializada no estado.
Cinco concessionárias de porte pequeno atuam na distribuição de energia, nos centros
urbanos dos municípios de Ijuí, Carazinho, Panambi, Tapejara e Faxinal do Soturno.
31
Figura 8 - Área das concessionárias no Rio Grande do Sul
Fonte: Atlas Socioecônomico RS (2019).
Na Figura 8, temos as áreas que cada uma das empresas mencionadas acima, que atuam
no Rio Grande do Sul.
Existem cerca de 15 autorizadas e permissionárias, sendo em grande parte, cooperativas
de eletrificação que atendem aéreas rurais, sendo algumas delas instaladas no vale do Taquari,
como a Cerfox, Certel e Certaja, entre outras espalhadas pelo estado, como podemos ver na
Figura 9.
32
Figura 9 - Área das permissionárias e autorizadas no Rio Grande do Sul
Fonte: Atlas Socioecônomico RS (2019).
De acordo com a ANEEL, “as legislações atuais referentes aos contratos de
concessão de distribuição priorizam o atendimento abrangente do mercado, sem
qualquer exclusão das populações de baixa renda e das áreas de menor densidade
populacional. Prevê ainda o incentivo à implantação de medidas de combate ao
desperdício de energia e de ações relacionadas às pesquisas voltadas para o setor
elétrico" (ANEEL, 2019).
Com um papel importante no desenvolvimento do estado, estas empresas prestam os
serviços de distribuição a cerca de 369 municípios dispersos por todo Rio Grande do Sul,
atendendo por volta de 283 mil consumidores de energia elétrica nos diversos grupos de
consumo.
2.6.1 Redes de distribuição de energia elétrica em média tensão
É o segmento da distribuição que contém as redes primárias de distribuição ou também
chamadas de redes de média tensão. Tem a finalidade de transportar a energia elétrica
emergente das subestações de distribuição, fornecendo alimentação primária aos equipamentos
transformadores, de manobra e proteção.
33
São circuitos elétricos trifásicos (três fases), bifásicos (duas fases) e monofásicos (uma
fase), operados nas faixas de tensão de 13.8 kV, 23.1 kV e 34,5 kV, se destinando ao suprimento
das redes de BT e dos consumidores que tem atendimento em MT, se encaixando em tal
modalidade de consumo, como indústrias, shoppings, grandes hospitais entre outros.
Podem ser aéreas e subterrâneas, sendo as redes aéreas com uso mais aplicado pelas
distribuidoras, pelo seu baixo custo de projeto, construção e manutenção. Já as subterrâneas são
aplicadas em locais que a rede convencional fica impossibilitada, como em locais com
limitações paisagísticas e grandes centros urbanos.
As redes aéreas de e são construídas através de postes de 11 a 15 metros de
comprimento, podendo ser de madeira, fibra ou concreto, e em seu topo, cruzetas de madeira,
concreto ou fibra, que são configuradas em diversas estruturas conforme a necessidade de
aplicação, onde são fixados os isoladores poliméricos ou de louça, que por final, sustentam os
condutores de vários tipos e bitolas.
É possível realizar a construção de redes primárias de 4 formas:
Rede de distribuição aérea convencional – Esta forma é a mais barata de se instalar, mas
pode ter um custo elevado de manutenção e de operação, além de ser a configuração menos
segura e constantemente afetadas por ações do ambiente que estão instaladas.
Configurada para ter condutores nus, colocados sobre os isoladores que são fixados de
forma horizontal sobre as cruzetas nos circuitos de MT e de forma vertical nos de circuitos
baixa tensão.
A rede fica exposta ao meio ambiente, ficando mais vulnerável à ocorrência de defeitos,
principalmente em áreas com grande vegetação, gerando contato com galhos de árvores ou
outros objetos próximos, fazendo com que os condutores elétricos apresentem em algumas
situações, uma alta taxa de falhas ao sistema, exigindo um sistema de podas eficiente para
diminuir os impactos causados pela vegetação.
Também, deve-se destacar que nos centros urbanos há a necessidade de harmonização
segura entre as redes e as edificações, por causa do alto riso que estas propiciam as pessoas,
devendo respeitar os afastamentos mínimos entre rede e as casas e prédios, de forma a evitar
possíveis acidentes.
34
Eventos de causa humana como acidentes com veículos, da natureza como raios ou
animais, são outros fatores que causam defeitos nestas redes
Rede de distribuição aérea compacta – Esta configuração de rede tem por principal
característica a de ser mais protegida que as redes convencionais, possuindo condutores com
uma camada de isolação e dispostas de forma mais agrupada, ocupando menos espaço, o que
resulta em um menor número de perturbações, e assim, acaba melhorando a qualidade da
energia entregue aos consumidores, aumentando também a confiabilidade do sistema.
São formadas por cabo de aço e cabos cobertos ou protegidos, fixados em estruturas
compostas por braços metálicos, espaçadores ou separadores de fase confeccionados em grande
parte de material polimérico. Os cabos são sustentados por condutor de aço guia que serve como
neutro do sistema, também chamado de cabo mensageiro. Os condutores cobertos ou protegidos
são apenas encapados e não podem ser utilizados em situações em que se tenha a necessidade
de isolação, por não possuírem um campo elétrico confinado.
Além da redução das intervenções na rede de distribuição para trabalhos de manutenção
preventiva e corretiva através de podas de árvores, diminuem a poluição visual pelo arranjo
compacto das suas estruturas e disposição dos condutores.
Esta escolha se torna uma alternativa mais cara que a rede aérea convencional.
Rede de distribuição aérea isolada – Geralmente com o maior custo de instalação, essa
rede é aplicada em condições especiais, indicada para locais onde são constantes os danos
causados por objetos do meio ambiente, sendo impossível a remoção dos agentes causadores e
havendo a necessidade de melhoria dos índices de segurança, continuidade e confiabilidade do
sistema.
Esta configuração de rede é protegida, utilizando três condutores isolados, blindados
e/ou multiplexados, enrolados a um cabo mensageiro de sustentação e suas conexões são
realizadas por peças acopláveis entre si, acarretando um sistema "totalmente isolado".
A vantagem da rede multiplexada é que o nível de confiabilidade é elevado em
comparação com os outros tipos de redes aéreas, além de ocupar menos espaço.
As configurações deste tipo de rede se assemelham aos das redes aéreas compactas.
35
Rede de distribuição subterrânea e isolada – A rede subterrânea é configuração que
proporciona o maior índice de confiabilidade ao sistema, no entanto é a opção mais cara para
construção dentre as possíveis, devendo ser aplicada nas regiões onde há uma densidade de
edificações ou locais onde se tem restrições para a instalação das redes aéreas.
A instalação é feita com os condutores isolados instalados dentro de eletrodutos,
normalmente se tornando viável para áreas em que a densidade de carga é superior a 10
MVA/km², possibilitando um investimento com retorno mais rápido.
Uma desvantagem da rede subterrânea é a dificuldade na realização de manutenções,
sendo que a rede está enterrada, não sendo possível visualizar o defeito facilmente como nas
redes aéreas, por este motivo é de extrema importância realizar a manutenção preventiva,
evitando possíveis defeitos inesperados.
O sistema subterrâneo está protegido contra eventos climáticos e outras condições que
as linhas aéreas estão expostas, como queda de objetos, acidentes com veículos, raios entre
outros, mais está propensa a danos causados por escavações.
A configuração das redes aéreas primárias pode ser definida em função do nível de
confiabilidade do sistema, sendo verificado a importância da carga ou o local a ser atendido.
Podem ser aplicadas as seguintes configurações para o sistema aéreo de distribuição primária.
Radial simples – baseada em uma única fonte de fornecimento de energia abastecendo
todas as unidades consumidoras, sendo alimentadas por uma única fonte que fornece energia
para sistema.
Esse arranjo é muito utilizado para distribuição em MT em áreas rurais onde exista
pouca densidade de carga, fazendo com que o alimentador tenha derivações que tomem direções
distintas e longas, perante as suas próprias características de distribuição de carga, se tornando
mais caro a instalação de pontos de interligação. Na Figura 10 podemos ver este tipo de
configuração.
36
Figura 10 - Configuração radial simples
Fonte: Unesp (2019).
Radial com recurso – Este sistema é bastante utilizado em áreas com maior densidade
de carga ou que necessitem maior confiabilidade do sistema, devido às suas particularidades,
como por exemplo, circuitos que atendem hospitais.
Nesta configuração são instaladas no mesmo circuito ou entre circuitos distintos, chaves
que operam manobras de abertura e fechamento, sendo chaves normalmente abertas (NA) e
chaves normalmente fechadas (NF), que podem ser manobradas a qualquer instante, para
realimentação de trechos do circuito ou ao todo, conforme a Figura 11.
Figura 11 - Configuração radial com recurso
Fonte: Unesp (2019).
Anel – Esta configuração tem o objetivo de aumentar o índice confiabilidade do
fornecimento do sistema, possuindo um esquema mais específico com equipamentos de
seccionamento e religamento, permitindo a alimentação das cargas por duas fontes alternativas,
sendo elas de circuitos provenientes da mesma subestação ou subestações diferentes.
O custo de aplicação de um sistema em anel, é mais caro que os demais, pela grande
quantidade de aplicação necessária de equipamentos de manobra e proteção, como também,
37
pela necessidade instalação de condutores de maior bitola, que devem trabalhar com capacidade
que permita as transferências de alimentação das cargas.
Normalmente se escolhe esta configuração em áreas urbanas densamente populosas,
como podemos ver na Figura 12.
Figura 12 - Configuração em anel
Fonte: Unesp (2019).
2.6.2 Redes de distribuição de energia elétrica em baixa tensão
Parte do sistema elétrico que deriva da parte secundária dos transformadores de
distribuição instalados em postes e ligados nas redes primárias de média tensão, destinando -
se ao suprimento dos consumidores atendidos em BT e da iluminação pública das vias.
Quanto ao nível tensão disponibilizada no sistema elétrico das distribuidoras, com
valores padrões, inferiores a 2,3 kV, variando entre 110 e 440 V, levando a energia elétrica até
os consumidores através ramais de ligação conectados entre a rede a caixa de medição.
Só pode ser projetada de forma radial, não permitindo que a mesma unidade
consumidora seja atendida ao mesmo tempo por mais de um transformador, não podendo-te o
cruzamento de sistemas secundários de transformadores distintos.
São dispostas com cabos de alumínio nus ou multiplexados (isolados), em disposição
vertical, amarrados aos isoladores fixados nas laterais dos postes, abaixo a cerca de 1,20 metros
de distância da rede primária.
Podem ser configurados como monofásicos (fase e neutro), bifásicos (fase-fase-neutro)
e trifásicos (três fases-neutro), operando nas tensões monofásico 110/220 V, bifásico 220/440
V e trifásico 220/380 V, dependendo da região do país.
38
2.7 Equipamentos de Distribuição
Na operação dos sistemas de distribuição energia são aplicados diversos equipamentos
para efetuar várias tarefas, que vão desde a transformação de energia em diferentes patamares
de tensão até a correção dos níveis de tensão a níveis regulatórios.
Este conjunto de equipamentos é o que agrega mais valor nos projetos de redes, pelo
fato de sua complexidade exigir que muitas vezes sejam aplicados diversos equipamentos ao
longo dos circuitos para regularizar os níveis de fornecimento, auxílio na operação de
manobras, identificação de defeitos e possíveis fraudes de consumo.
2.7.1 Transformadores
Transformadores são máquinas elétricas estáticas, ou seja, que não tem componentes
móveis, que tem como objetivo a transferência de energia elétrica de um circuito para outro,
transformando tensões e correntes, mantendo a frequência e praticamente a mesma potência
entre os dois circuitos.
Conforme a norma NBR 5356-1 de 2007, o transformador é definido como um
equipamento elétrico estático que, por indução eletromagnética, transforma tensão e correntes
entre dois ou mais enrolamentos, sem mudança de frequência (ABNT, 2007).
De uma forma geral, os transformadores são formados por três componentes básicos,
enrolamento primário e secundário, ou seja, duas bobinas feitas de cobre e uma leve camada de
verniz isolante, e o núcleo que é criado de um material ferromagnético. Os enrolamentos estão
acoplados ao núcleo, onde por definição, a fonte é conectada no enrolamento primário e a carga
no enrolamento secundário.
39
Figura 13 - Ilustração de um transformador
Fonte: Autor, adaptado de Bolotinha (2019).
Basicamente a metodologia de funcionamento dos transformadores segue princípios
eletromagnéticos das leis de Faraday e Lenz.
A Lei de Faraday diz que todo condutor aplicado a um campo magnético variável,
obterá em seus terminais uma força eletromotriz induzida e a lei de Lenz refere – se que a
corrente que surge em um circuito elétrico fechado, em função de uma fem, terá sentido tal, a
anular a causa que a deu origem.
De forma sucinta, o funcionamento do transformador se dá pela aplicação uma tensão
alternada no enrolamento primário do equipamento e conforme esta tensão aumenta, um campo
magnético surge no núcleo, cujo fluxo magnético varia e percorre pelo enrolamento secundário,
uma vez que esta variação do fluxo percorrendo um condutor, induz nele, uma corrente
eléctrica.
O aumento da corrente elétrica no enrolamento primário gera um aumento do fluxo
magnético através do enrolamento secundário, induzindo uma tensão elétrica nele. É este
acoplamento eletromagnético entre os enrolamentos do transformador, acompanhado da
transferência de energia elétrica, que se baseia seu funcionamento.
40
Temos também os conceitos de transformador ideal e real, sendo o primeiro, como uma
forma teórica que considera que no transformador não há energia acumulada no campo
magnético, portanto as perdas no ferro são nulas, não existe indutância, o fio não apresenta
resistência e não existe perda de potência entre as partes primária e secundária.
Os equipamentos transformadores podem ser classificados conforme alguns parâmetros,
mas de acordo com a finalidade, temos os seguintes equipamentos:
Transformador de corrente – Conhecido como TC, tem por objetivo medir e detectar a
corrente elétrica em um condutor e transformá-la em valores menores, para ser transmitida a
instrumentos de medição ou circuitos eletrônicos. É usado quando necessita - se diminuir os
valores da corrente para alimentação de dispositivos e equipamentos que não operam em
grandes níveis de corrente.
São classificados pela sua construção mecânica, podendo ser do tipo primário enrolado,
tipo barra, tipo janela, tipo bucha, tipo núcleo dividido, sendo a sua designação com base na
classe de exatidão necessária da aplicação, por exemplo, para circuitos de medição é
aconselhado utilizar transformadores de corrente com classe de exatidão de 0,6.
Figura 14 - Esquemático transformador de corrente
Fonte: Silveira (2019).
Transformadores de potencial – Conhecido como TP, é um transformador também
utilizado para instrumentação como o TC, sendo seu enrolamento primário ligado como
derivação a um circuito elétrico e o seu enrolamento secundário se destina para alimentação as
41
bobinas de potencial, que alimentam equipamentos de medição, proteção e controle. São
semelhantes aos transformadores de distribuição, porém consomem baixa potência.
Podem ser do tipo capacitivo que utiliza dois conjuntos de capacitores que trabalham na
forma de divisor de tensão, e do tipo indutivo, que é o mais utilizado, podendo ser classificado
de acordo com a sua construção, seguindo três grupos:
- Grupo 1 – destinado a ligações entre fases, sendo utilizados em sistemas de com tensão
de até 34,5 kV;
- Grupo 2 – destinado para ligações entre fase e neutro em sistema diretamente aterrado;
- Grupo 3 – destinados para ligação entre fase e neutro em circuitos onde não se garante
um bom sistema de aterramento.
Figura 15 - Modelos de transformador de potencial
Fonte: Rehtom Eletrômecanica (2019).
A designação do transformador de potencial também segue de acordo com a sua classe
de exatidão necessária da aplicação, por exemplo, para medição utiliza- se a classe de exatidão
de 0,3.
Transformador de distribuição - Utilizado no setor de distribuição pelas distribuidoras
de energia nos seus sistemas para atendimento dos consumidores.
Podem ser monofásicos, bifásicos e trifásicos, com potências de 3 a 300 kVA, operando
nas classes de tensão de 13.8, 23.1 e 34.5 kV, e a escolha se dá conforme a demanda do circuito
secundário, onde estão conectados os consumidores, ou seja, conforme a demanda dos
42
consumidores é escolhido o equipamento com potência compatível para atendimento desta
demanda.
Geralmente são aéreos, instalados em postes, cabines e plataformas e nos casos
subterrâneos em cabine subterrânea específica para este tipo de transformador. São aplicados
nos sistemas de distribuição de energia elétrica, os equipamentos monofásicos trifásicos com
diversas potências.
Figura 16 - Transformadores de distribuição
Fonte: Itb Transformadores (2019).
Transformadores de força - Aplicados em usinas, subestações de distribuição por
distribuidoras de energia e em subestações de indústrias, quando a sua aplicação se destina por
exemplo, a fornos de indução e retificadores.
Transformadores elevador e abaixador - Tratam – se de transformadores que alteram o
patamar de tensão do circuito, elevando ou rebaixando a tensão conforme a necessidade do
sistema. Os valores de tensão de saída deste tipo de transformador estão relacionados ao número
de espiras que cada bobina tem, como por exemplo, de um transformador elevador, sendo a
quantidade de espiras da bobina secundária maior do que da bobina primária.
Autotransformador - É um equipamento semelhante a um transformador convencional
e tem mesma finalidade, porém, o autotransformador possui apenas um único enrolamento.
Esse enrolamento além de ter terminais em suas extremidades, existe um enrolamento com
maior número de terminais, que se chama “TAPS”.
43
Este arranjo de derivações proporciona a obtenção de diversos valores de tensão de saída
para um mesmo valor de entrada.
Podem ser classificados quanto ao tipo, material do núcleo e a quantidade de fases.
2.7.1.1 Comutador de derivações
Conforme vimos anteriormente, os equipamentos transformadores são projetados para
transferência de energia entre circuitos, com determinadas potências, para atendimento das
cargas conectadas em seu circuito secundário, porém, devido à existência de certas quedas de
tensão nos circuitos de alimentação, dificilmente a entrada primária receberá tensão nominal e
isto afetará a tensão da parte secundária, tendo a necessidade da mudança da relação de
transformação do equipamento para corrigir a tensão secundária a níveis adequados,
respeitando a legislação e entregando uma energia de qualidade aos consumidores.
Para adequar a tensão do circuito secundário fazendo com que ela se mantenha
aproximadamente constante, operando em regime adequado, mesmo havendo variações da
tensão do circuito primário, os equipamentos transformadores são constituídos de um sistema
de comutação de derivações em carga ou genericamente chamados de TAP’S. Este sistema é
parte integrante no enrolamento primário, pelo fato de ter a corrente nominal do enrolamento
secundário, fazendo com que a ocorrência de problemas decorrentes de contato seja menor.
Por definição, temos que o comutador de derivações é um dispositivo que permite alterar
a relação de espiras de um transformador, pela modificação das derivações de um mesmo
enrolamento (NBR 5458/81).
Já quando a tensão primária for maior que a nominal, o comutador opera de modo a
adicionar espiras ao enrolamento.
Nos dois casos, se tratando de transformadores de distribuição mais novos, o processo
é feito através do comutador externo do equipamento, onde o operador irá fazer os ajustes que
são necessários, de forma manual e com o equipamento desligado. Em equipamentos mais
antigos é necessário a abertura do tanque para ajuste do comutador interno, sendo que este
equipamento não é mais aplicado nas redes de distribuição, devido aos riscos causados ao
operador e ao meio ambiente.
44
Além da distância dos alimentadores que influencia diretamente na tensão primária que
chega até os equipamentos transformadores, outras variáveis podem interferir em seu
funcionamento, tais como, horário do dia, carregamento do transformador, bitola dos
condutores do circuito secundário, cargas perturbadoras, entre outros aspectos que aumentam a
complexidade do problema, fazendo com que seja necessário ajustar os TAPS de forma
rotineira, criando as chamadas regiões de TAPS.
As regiões de TAPS são pontos do circuito onde a tensão primária segue um patamar de
tensão que obriga a concessionária a ajustar todos os equipamentos que estão naquela
determinada parte do alimentador. Geralmente quanto mais próximo do final do alimentador,
mais necessário se torna realizar ajustes para elevar a tensão a níveis adequados na sua parte
secundária.
Figura 17 - Esquemático de um transformador com TAP variável
Fonte: Costa (2019).
O sistema de comutação dos equipamentos transformadores tem várias formas, podendo
ser linear, rotativo e de painel, e a sua escolha depende do valor da corrente e da complexidade
das ligações a realizar.
O sistema de comutação para equipamentos transformadores de distribuição, deve ser
do modelo linear ou rotativo, de acionamento rotativo, com mudança simultânea nas fases, para
operações sem tensão, com comando único de acionamento externo e deve ser instalado de
forma a garantir a estanqueidade (NBR5440:2014)
45
Adicionalmente, deve ser indicado no equipamento transformador, próximo ao
acionamento do comutador, de forma visível e indelével, os dizeres “OPERAR SEM
TENSÃO” (NBR5440:2014).
Como podemos ver na Figura 18, temos dois equipamentos transformadores trifásicos
utilizados na distribuição de energia elétrica, com comutadores interno e externo, e a placa
contendo os dados.
Na placa estão dispostas as todas informações relacionadas ao equipamento e como
podemos ver, sobre as posições do sistema de comutação e os valores de tensão da operação
conforme a escolha do TAP.
Figura 18 - Transformadores com diferentes tipos de comutadores
Fonte: Autor adapto de Itb Transformadores (2019).
2.7.2 Capacitores
Basicamente os capacitores são dispositivos que armazenam energia no seu campo
elétrico que é formado por duas placas paralelas e separadas por um material com característica
não condutora ou dielétrica. São dispositivos muito utilizados em diversos ramos como da
eletrônica, comunicação, computadores e sistema elétricos de potência.
Os capacitores são equipamentos que tem capacidade de acumular eletricidade.
Basicamente formados por duas placas condutoras postas frontalmente em paralelo e separadas
por um meio isolante qualquer, que pode ser o ar, papel, plástico etc (Filho, 2005).
46
Existem diversos tipos de capacitores, classificados geralmente, com relação ao material
do seu dielétrico, sendo os tipos mais comuns, capacitores cerâmicos, capacitores eletrolíticos,
capacitor de poliéster, entre vários outros.
Um capacitor é um componente que constitui - se de duas superfícies condutoras
separadas por um material não condutor ou dielétrico. Existem muitos tipos diferentes de
capacitores, sendo classificados pelo tipo dielétrico que é usado entre suas placas condutoras
(Irwin, 2000).
A carga elétrica armazenada por um capacitor (q), é proporcional a tensão (𝑣) de modo
que
𝑞 = 𝐶𝑣 (1)
onde C, é a constante de proporcionalidade, também conhecida como a capacitância do
capacitor e sua unidade é o farad (F).
A capacitância depende do tamanho do capacitor, por exemplo, com placas paralelas, a
capacitância é dada por
𝐶 =
𝜖𝐴
𝑑
(2)
Para obtermos a relação de corrente e tensão do capacitor, utilizamos a derivada de
ambos os lados da equação
𝑖 =
𝑑𝑞
𝑑𝑡
(3)
Diferenciando ambos os lados desta equação temos
𝑖 = 𝐶
𝑑𝑣
𝑑𝑡
(4)
Essa é a relação da tensão e corrente de um capacitor, supondo-se a regra de sinais
(passivo).
A relação de tensão e corrente de um capacitor linear pode ser obtida integrando ambos
os lados da Equação
47
𝑣(𝑡) =
1
𝐶
∫ 𝑖(𝜏)𝑑𝜏
𝑡
−∞
(5)
A potência instantânea liberada para o capacitor é
𝑝 = 𝑣𝑖 = 𝐶𝑣
𝑑𝑣
𝑑𝑡
(6)
Portanto, a energia que o capacitor armazena é
𝑤 =
𝑞²
2𝐶
(7)
De forma resumida estas são as fórmulas que teoricamente especificam os capacitores.
Se tratando de SEP, os capacitores podem ser aplicados para liberar maior potência ativa
dos grupos geradores, corrigir o FP de cargas e sistemas, melhorar os níveis de tensão dos
circuitos e reduzir perdas.
Já na distribuição de energia elétrica, os capacitores têm papel fundamental no bom
funcionamento dos alimentadores, como vistos antes, eles corrigem as distorções de tensão e o
fator de potência originados pelas cargas conectados ao longo do sistema.
2.7.2.1 Correção de fator de potência
O FP pode ser relacionado com as potências ativa e reativa, indicando se a energia está
sendo usada de forma eficiente, sendo de suma importância para as empresas permanecerem
com o fator de potência de seus alimentadores no valor padronizado pela ANEEL, sendo igual
ou superior a 0.92, para se livrar do pagamento de multas e de perda técnica originada por este
fator.
As distribuidoras também cobram multas de seus consumidores atendidos em
modalidade tarifária do grupo A uma vez que eles possuam um fator de potência fora do
normatizado, obrigando estes consumidores aplicar a devida correção em suas instalações.
A maioria dos consumidores possuem cargas que consomem energia reativa indutiva,
como motores.
48
Figura 19 - Ilustração das potências ativa e reativa
Fonte: WEG (2019).
Conforme podemos ver na Figura 19, a potência ativa é absorvida na execução do
trabalho e a reativa fica circulando no circuito, ocupando um determinado espaço, não
produzindo trabalho, e que poderia ser aplicado para contribuir com mais potência ativa ao
sistema.
Figura 20 - Triângulo retângulo das potências
Fonte: WEG (2019).
Potência aparente é o resultado do produto da multiplicação entre a tensão e a corrente.
S = V x I (8)
Potência ativa é a potência real é a potência que de fato realiza o trabalho no sistema.
P = V x I x COS(φ) (9)
Potência reativa é uma certa parte da potência aparente que pode ser aplicada ao
circuito, sendo sua função de criar o circuito magnético gerando o campo elétrico nos
capacitores.
49
P = V x I x SEN(φ) (10)
Figura 21 - Triangulo das potências 1
Fonte: Autor, (2019).
Podemos ter a seguinte relação das potências com base no triângulo retângulo da
Figura 21
S2 = P2 + Q²
(11)
O fator de potência pode ser calculado pela seguinte equação
FP =
P
S
= COS φ (12)
A seguinte forma pode ser utilizada para a correção, conforme uma situação original
onde o triangulo das potências está disposto da seguinte maneira, com determinado ângulo φ,
com base na Figura 21.
FP1 = COS φ1 (13)
tg φ1 =
Q1
P
(14)
Q1 = P. tg φ1 (15)
Então a situação desejada é conforme o triângulo da Figura 22, onde é possível notar
que o φ do fator de potência é menor
50
Figura 22 - Triangulo das potências 2
Fonte: Autor, (2019).
FP2 = COS φ2 (16)
tg φ2 =
Q2
P
(17)
Q2 = P. tg φ2 (18)
Com a variação das potências reativas atual e desejada, pode – se encontrar o valor
reativo do capacitor a ser instalado para correção do determinado fator de potência
∆Q = Q1 − Q2 (19)
∆Q = P(tg φ1 − tg φ2) (20)
A aplicação de destes equipamento é a solução para adequação do FP dos alimentadores
primários de distribuição de energia elétrica, instalados nos lugares adequados, eles podem
operar de forma fixa ou automática, conforme a necessidade técnica e a capacidade financeira
das distribuidoras de energia.
Os bancos fixos ficam sempre ligados à rede, já os bancos automáticos podem ser
ligados e desligados da rede por meio de telecomando acionando relés de comando quando for
necessário realizar as operações, de forma manual pelos operadores ou programada.
Com a elevação do FP do sistema pode obter vantagens a partir desta melhoria, tais
como, melhoria e aumento do nível de tensão, redução de perdas e melhoria na estabilidade do
sistema.
2.7.2.2 Correção do nível de tensão
51
Uma energia reativa em excesso no sistema eleva os níveis da corrente fazendo com que
o sistema venha a sentir quedas de tensão acentuadas em determinados pontos, podendo levar
a ter cortes do fornecimento de energia e gerar sobrecarga sobre determinados equipamentos
da rede. Geralmente esses efeitos são sentidos nos períodos em que a rede é fortemente
solicitada pelas cargas.
O nível de tensão em qualquer parte do alimentador é igual à da fonte descontando a
queda de tensão até o determinado trecho. Assim, se a tensão nominal da SE e as diversas
quedas forem descobertas, a tensão em qualquer trecho do alimentador pode ser facilmente
encontrada.
Geralmente a tensão nominal da fonte é sempre conhecida, o problema está em apenas
na definição das quedas de tensão. Umas maneiras de encontrar estas quedas ao longo do
circuito alimentador podem serem obtidas através da seguinte fórmula:
∆V = R ∗ I ∗ COS φ ± X ∗ I ∗ SEN φ (21)
Os valores de ΔV, R e X são aplicados a fase, ou seja, a queda de tensão para valores
entre fases, em um sistema trifásico será
∆V ∗ √3 (22)
Conhecido o FP e a corrente total, as componentes da corrente são podem ser obtidas
através de
IkW = I ∗ COS φ (23)
IkVAr = I ∗ SEN φ (24)
Podendo ser reformulada e escrita da seguinte forma:
𝑉 = R ∗ IkW ± X ∗ IkVAr (25)
Com esta expressão, fica claro que a relação da corrente com a potência reativa,
operando apenas na reatância. Como os capacitores fazem a redução desta corrente, a queda de
tensão total também reduzida para valores iguais, multiplicada por sua reatância. Sendo assim,
necessário descobrir a potência nominal do equipamento capacitor a ser utilizado e a reatância
52
do sistema onde será aplicado, para se obter os valores de aumento da tensão, ocasionada por
estes equipamentos.
As desvantagens dos sistemas que operam com tensões abaixo do nominal são inúmeras,
mas as que mais causam impacto nas distribuidoras são relacionadas a depreciação acelerada
de certos componentes da rede e as penalizações que a ANEEL aplica sobre o fator de potência
fora dos padrões, o consumo de reativo excedente e também aos níveis de tensão fora dos limites
padronizados.
2.7.3 Reguladores de Tensão
São equipamentos destinados para adequar dos níveis de tensão, sendo instalados em
redes de distribuição de energia elétrica em MT, fazendo com que estes sistemas operem em
níveis adequados de tensão, mesmo quando é afetado por uma variação na tensão, ficando fora
de limites regulatórios.
É um dos equipamentos mais utilizados pelas distribuidoras de energia elétrica para
correção dos seus níveis de tensão, uma vez que a sua aplicação seja mais comum em redes de
MT que tenham longos comprimentos, como por exemplo, redes de distribuição em área rural
onde o comprimento é longo e há predominância de cargas não acumuladas, onde a sua
instalação, faz com que a tensão opere dentro dos padrões.
Basicamente podemos dizer que este equipamento é um transformador automático ou
autotransformador, possuindo um número de derivações em seu enrolamento série, chamados
de TAP’S. A Figura 23 mostra o esquema deste equipamento monofásico, onde seu
enrolamento (A) fica série com a carga e o restante (B), em paralelo com ela.
53
Figura 23 - Esquema básico de um autotransformador
Fonte: Filho (2005).
Alterando a representação esquemática da Figura 23, temos a função de reduzir a tensão
de entrada, como podemos ver na Figura 24. Nesta configuração, o equipamento tem os seus
enrolamentos conectados com polaridade subtrativa. Observa - se que o seu enrolamento (A)
continua ligado em série com a carga, enquanto o (B) fica em paralelo.
Figura 24 – Esquema na função de redução da tensão
Fonte: Filho (2005).
Agora alterando a conexão do esquema da Figura 24, temos a função de elevar a tensão,
como podemos ver na Figura 25.
Nesta configuração, o autotransformador tem ligado os seus enrolamentos com
polaridade aditiva. Observa - se ainda que eles mantêm o esquema de ligação em relação à carga
que na configuração anterior.
54
Figura 25 – Esquema na função de elevação da tensão
Fonte: Filho (2005).
Conforme exposto acima, mantendo os princípios, podemos obter o diagrama do
regulador de tensão conforme a Figura 26, em que o enrolamento (A) mantém a ligação em
série com a carga e o (B), mantém a ligação em paralelo.
Figura 26 - Esquema do regulador de tensão
Fonte: Filho (2005).
Existe atualmente dois tipos de equipamentos reguladores destinados à correção da
tensão em redes de distribuição de MT, sendo o autobooster e o 32 graus.
O regulador de tensão autobooster é o equipamento mais comum para regulação de
tensão, sendo fabricado em unidades monofásicas. Este tipo de regulador é um equipamento
que atua no nível de tensão em um só sentido, isto é, é regulado para aumentar ou para baixar
a tensão e pode ser utilizado também como um equipamento que auxilia o de 32 graus em
diversas aplicações.
55
Devido a essas características e ao custo baixo, as empresas aplicam este equipamento
normalmente em redes de distribuição rurais, onde há baixa densidade de carga. Seu circuito
elétrico é composto basicamente de três bobinas, assim denominadas: bobina série, paralela e
de controle.
A Figura 27 mostra o esquema simplificado de funcionamento do autobooster conectado
na rede primária para elevar a tensão.
Figura 27 - Diagrama de um autobooster na configuração de elevação da tensão
Fonte: Filho (2005).
Já a Figura 28, mostra o esquema para a conexão do regulador autobooster na função de
redução de tensão.
56
Figura 28 - Diagrama de um autobooster na configuração de redução da tensão
Fonte: Filho (2005).
A montagem deste tipo de equipamento normalmente é feita em poste de concreto,
conforme na figura 29, sendo este tipo de equipamento, pouco utilizado atualmente.
57
Figura 29 - Instalação autobooster em poste
Fonte: Filho (2005).
Essa regulação normal é feita em até 32 TAPS (16 TAPS para abaixar e 16 TAPS para
elevar a tensão), com uma variação de +/-0,65% em cada TAP, resultando em uma tensão que
varia em +/-10% da tensão de alimentação.
Podem ser aplicados em diversas situações, como em redes de distribuição que atendem
áreas rurais com grandes comprimentos, saídas de alimentadores em SE de distribuição ou em
determinados trechos da rede e podem ser aplicar para regular toda a barra da SE ou a partir de
um trecho dos sistemas.
58
Figura 30 - Esquema do equipamento de 32 graus
Fonte: Filho (2005).
Os esquemas de ligação variam conforme o número de equipamentos que serão
instalados, sendo que o equipamento monofásico pode ser ligado em um circuito monofásico
conforme esquema da Figura 31.
Figura 31 - Esquema de ligação do equipamento monofásico
.
Fonte: Filho (2005).
Onde nesta ligação, nota-se a função das três buchas:
- Bucha S: e aquela que recebe o condutor ligado a fonte;
- Bucha L: e aquela que alimenta a carga;
59
- Bucha SL: bucha de fonte-carga.
Note que a bobina paralela está ligada entre as buchas L e SL.
Nos circuitos trifásicos a três fios, pode se instalar dois reguladores de tensão, cujas
ligações estão mostradas na Figura 32, ligados em triangulo aberto.
Figura 32- Esquema de ligação de 2 equipamentos monofásicos
.
Fonte: Filho (2005).
No caso de circuitos trifásicos a três fios, podem-se empregar, também, três reguladores
monofásicos conforme ligações estão sendo mostradas na Figura 32 e pode ser vista instalada
em poste na Figura 33.
60
Figura 33 - Esquema de ligação de 3 equipamentos monofásicos com 3 condutores
Fonte: Filho (2005).
No caso de circuitos trifásicos a quatro fios, podem-se aplicar três reguladores
monofásicos, onde as ligações estão mostradas na Figura 34.
Figura 34 - Ligação de 3 equipamentos monofásicos com 4 condutores
Fonte: Filho (2005).
Este tipo de equipamento é normalmente instalado em postes de concreto armado, em
estrutura dupla. É necessário a instalação em conjunto de um conjunto de chaves de
seccionamento para ser possível ocorrer a isolação dos equipamentos da rede elétrica para
manutenção e ajuste.
61
2.7.4 Religadores
Os religadores são equipamentos destinado a proteger sistemas que distribuem energia,
sendo instalados geralmente, nas redes aeres de distribuição. Este equipamento tem a
capacidade de realizar a interrupção do fornecimento da corrente elétrica e são capazes de
efetuar diversas operações de abertura e fechamento dos circuitos, durante o surgimento de um
defeito ao longo da rede.
Sua ampla aplicação nas redes aéreas, se dá pela característica que possibilita que os
defeitos de causa transitória, sejam eliminados sem intervenção humana, gerando deslocamento
de efetivo equipes para percorrer o circuito identificado com falta de fornecimento de energia.
Nunca se deve instalar estes equipamentos em instalações industriais ou comerciais,
sendo que os defeitos que podem ocorrer nestes locais são de ordem permanente ao contrário
dos que podem ocorrer nas redes aéreas.
Os religadores podem ser classificados pelo número de fases, sendo que os que operam
de forma monofásica, são aplicados para proteção de redes aéreas de distribuição monofásicas,
sendo instalados em redes trifásicas quando se tem a necessidade de atender uma carga
monofásica no sistema que exige esta proteção.
Já os trifásicos se destinam à proteção de redes aéreas de distribuição trifásicas, onde é
necessário o seccionamento tripolar simultâneo, evitando que cargas trifásicas ligadas aos
sistemas, operem com apenas duas fases, podendo gerar defeitos.
Pode-se realizar o emprego de religadores monofásicos, operando em redes trifásicas,
sendo que a atuação deles seja feita de maneira simultânea em todas as unidades do banco,
mesmo que a falha seja entre quaisquer das fases e terra.
São classificados, também, em relação ao sistema de controle, sendo feita por ação
eletromagnética ou efetuada por controle eletrônico, sendo está última a mais utilizada pelo seu
sistema em estado que tem capacidade de guardar as configurações necessárias à execução de
diversas operações de religamento.
Visto que a principal função dos religadores é proteção do sistema contra surtos de
corrente e redução do tempo de falta de fornecimento de energia nos momentos em que surgem
problemas transitórios, quando se deparam com algum defeito, sendo de origem da natureza
62
como raios, ou de origem humana, como árvore derrubada sobre a rede, o religador identifica
tais, como sobrecarga por curto circuito, realizando diversos ciclos de abertura e fechamento
até a resolução do problema, ou seja, até a corrente normalizar. Quando se referimos a defeitos
permanentes, os religadores ficam ativados em modo aberto, para proteção do sistema, até que
a causa seja identificada, corrigida e assim, poderá ser feita a normalização do sistema de forma
de religação manual.
A maioria dos problemas é de origem passageira sendo provocados por raios, ventanias,
ou outros materiais externos, os religadores acabam atuando de forma temporária, na maioria
das vezes, até a resolução da inconformidade.
Existem critérios que devem ser analisados para instalação dos equipamentos
religadores em redes aéreas de distribuição, como em circuitos longos, em derivações de ramais
que suprem cargas relevantes, em alimentadores que que tenham diversos ramais; após grandes
centros de cargas e em redes que atendem consumidores primários.
Atualmente os equipamentos religadores contam com controle via telecomando, com
base em grande parte, na tecnologia GPRS, sendo operados a distância pelos operadores nos
centros de comandos das distribuidoras. As operações mais realizadas são as de fechamento e
abertura de circuitos em anel, onde com estas manobras é possível alterar o fluxo de corrente
do circuito.
Depois que o equipamento atua com todas as operações definidas e fica no estado aberto,
geralmente ocasionado por um defeito permanente, é necessário que os operadores solicitem
que sejam verificados visualmente a campo todo o trecho do alimentador protegido pelo
equipamento.
Feito isso e não identificado defeitos ao longo da rede, é autorizado o operador realizar
a manobra de fechamento do equipamento, o que deve reestabelecer o fornecimento de energia
de todo o sistema.
63
Figura 35 - Equipamento religador instalado em poste
Fonte: Autor (2019).
2.8 Sistema por unidade (PU)
Quando falamos de sistemas elétricos de potências, falamos de diversas grandezas que
podem chegar a altos valores em determinados circuitos. Uma maneira de normalizar as
grandezas e parâmetros de alguns equipamentos compõem o SEP, é expressar seus valores por
percentual ou por unidade, os conhecidos valores P.U., sendo neste sistema, as grandezas são
escritas em relação a valores empregados como referência, os denominados valores base.
Dentre as vantagens de se utilizar este sistema está a simplificação dos cálculos devido
normalização dos valores referentes a um valor de base, melhorando a sensibilidade no
manuseio das grandezas.
A fórmula para obtenção do valor por unidade é uma simples divisão do valor real pelo
valor tido como base, normalmente definida a potência base de todo o sistema com valor típico
de referência de 100 MVA, e a tensão de base depende do de nível de tensão da barra ou do
trecho, conforme a fórmula.
Valor por unidade (pu) =
Valor real
Valor de referência
(26)
64
Com esta definição, as grandezas como tensão, corrente, potência aparente e impedância
podem ser definidas, conforme.
Vpu =
Vreal
Vbase
Ipu =
Ireal
Ibase
Spu =
Sreal
Sbase
Zpu =
Zreal
Zbase
(27)
Como também potência ativa, potência reativa, resistência, reatância, condutância,
susceptância e a admitância, podem ser traduzidas para a forma por unidade por meio da
relação.
As demais referências de base como a impedância e a corrente podem ser calculadas
com base nas definições acima
Zbase =
Vbase2
Sbase
Ibase =
Sbase
√3 . Vbase
(28)
Também é comum converter os valores em P.U em valores de porcentagem (%) através
da relação
K% = 100 . Kpu (29)
Quando se necessita instalar um equipamento novo ao sistema, como por exemplo um
transformador, é muito comum realizar a mudança de base para se obter os dados deste
equipamento com o valor de base atual do sistema, uma vez que estes equipamentos são
fabricados com determinados parâmetros que tem como base determinados valores. Sendo
assim para encontrar os parâmetros em uma nova base para equipamentos, pode ser obtida a
partir da equação.
Zpu nova = Zpu velha . (
Sbase nova
Sbase velha
) . (
Vbase velha
Vbase nova
)
2
(30)
Onde
Zpu nova - Impedância percentual nova, em pu;
Zpu velha - Impedância percentual velha, ou seja, a impedância da placa do
equipamento, em pu;
S base nova - Potência base do sistema elétrico de potência, geralmente em 100 MVA;
65
S base velha - Potência base da placa do equipamento, no caso a própria potência
nominal, em MVA;
V base velha - Tensão base de placa do equipamento, em kV;
V base nova - Tensão base da barra em que será conectado o equipamento, em kV.
O sistema pu se para os sistemas monofásicos e trifásicos equilibrados, sendo a relação
entre as potências monofásica e trifásica é dada por 3.
S3∅ base = 3 . S1∅ base (31)
A relação entre tensão de fase e de linha, para sistemas equilibrados
VL base = √3 . VF base (32)
Relacionamento para os valores em pu e de base para tensões de linha e fase, e potências
trifásica e monofásica
Ibase =
S1∅ base
VF base
Ibase =
S3∅ base
√3 . VL base
(33)
Zbase =
VF base
I base
Zbase =
VL base
√3 . I base
(34)
A aplicação deste método por unidade, simplifica os cálculos, uma vez que,
trabalharemos com média e baixa tensão com valores com ampla diferença e sendo assim,
facilita a metodologia aplicada.
2.9 Qualidade do fornecimento de tensão
Com competência da ANEEL, a regulação da qualidade do fornecimento de tensão é
baseada no que diz na resolução de nº 505, que estabelece de forma sempre atualizada e
permanente, as diretrizes relacionadas à qualidade dos níveis de tensão em regime de caráter
permanente. Também conforme as normas dispostas no PRODIST, tratadas no módulo 8, que
diz respeito sobre a qualidade da energia elétrica.
De um modo geral, o módulo 8 do PRODIST padroniza os procedimentos, define as
terminologias, indicadores e metodologias de cálculo para apurar e qualificar os serviços
66
referentes a qualidade do produto, qualidade do serviço realizado e a qualidade quanto ao
tratamento das reclamações dos usuários ligados no sistema brasileiro.
Estas normas e procedimentos abrangem todos os usuários do sistema que são desde os
consumidores com instalações conectadas nas diversas classes de tensão de distribuição até o
operador nacional do sistema elétrico.
Entre as distribuidoras, as conexões com a tensão nominal de operação igual ou acima
de 230 kV, devem ser fornecidas de forma que a tensão seja o seu valor nominal e que se
mantenha entre 95% e 105% da tensão nominal do ponto a ser conectado.
Já para as tensões contratadas junto à distribuidora, ou seja, os consumidores com
tensões de operação acima de 1 kV, é obrigatório entregar dentro dos limites de 95% e 105%
no ponto de conexão.
Para tensões iguais ou menores a 1 kV, a tensão entregue deverá ser igual a nominal de
operação.
Poderão ser contratadas tensões com valores intermediários aos mencionados acima,
desde que os padrões fixados sejam de acordo entre todas as partes envolvida.
Com relação à padronização e regulação das tensões de atendimento mencionadas
acima, e verificando os níveis que a Cerfox trabalha, podemos ver as variações permitidas
conforme estabelece o PRODIST, dispostas na Tabela 3.
Tabela 3 - Limites de variação de tensão de atendimento
Situação de atendimento Intervalo de variação em PU
Adequada 0,93TR ≤ TL ≤ 1,05TR
Precária 0,90TR ≤ TL ≤ 0,93TR
Crítica 0,90TR ≤ TL ≤ 1,05TR
Fonte: PRODIST (2018).
A ANEEL estipulou indicadores que através de leituras, avaliam o nível de atendimento,
sendo estes indicadores aplicados de forma individual e coletiva.
Os indicadores individuais são:
DRP - Duração Relativa da Transgressão de Tensão Precária
67
DRP =
nlp
1008
∗ 100[%] (35)
DRC - Duração Relativa da Transgressão de Tensão Crítica
DRC =
nlc
1008
∗ 100[%] (36)
Os limites dos indicadores individuais são de 3% (três por cento) para o indicador DRP
e 0,5 % (cinco décimos por cento) para o indicador DRC.
Os indicadores coletivos também utilizando como base as medições amostrais
realizadas, calculando assim este indicador
ICC - Índice de Unidades Consumidoras com Tensão Crítica
ICC =
NC
NL
∗ 100[%] (37)
E para a determinação dos índices equivalentes por unidade consumidora, devem ser
calculados os indicadores coletivos DRPE e DRCE.
DRPE = ∑
DRPi
NL
[%] (38)
DRCE = ∑
DRCi
NL
[%] (39)
2.10 SINAPgrid
A Sinapsis é uma empresa de base tecnológica que desenvolveu o software SINAPgrid,
sendo um produto elaborado para modelagem do setor elétrico, que aplica as exigências
regulatórias, eficientes e rentáveis.
Esta plataforma de simulação é utilizada para a aplicação da metodologia e caracteriza
- se por disponibilizar uma série de ferramentas e aplicações para sistemas, permitindo também
o desenvolvimento para aplicação e realocação de componentes da rede.
Dentre as principais características desta plataforma têm-se:
68
- Representação gráfica integrando todos os níveis de tensão do SEP (alta, média e
baixa);
- Editor de rede que possibilita representação gráfica dos componentes da rede, por meio
de módulos esquemáticos ou informações georreferenciados;
- Módulos que realizam fluxo de potência, para circuitos balanceados ou
desbalanceados, possibilitando a resolução por diversos modos (Gauss, Newton-Raphson);
- Ferramentas para avaliação do carregamento, perfil e desequilíbrio de tensão e perdas
técnicas, seguindo as recomendações do PRODIST;
- Permite a importação de dados de outras plataformas, como MIG, Anarede, Anafas,
GIS;
- Permite a exportação de redes nos formatos XML e KML que podem ser embarcados
no Google Earth (redes com coordenadas já georreferenciadas);
- Permite exportação de dados de fluxo de potência e relatórios personalizáveis com
resultados em arquivos Excel e de texto;
- Realiza a importação e criação de curvas típicas dos consumidores.
Tais recursos permitem tanto o planejamento como a operação de sistemas que fazem
parte da distribuição e da transmissão de energia elétrica, se destacando perante os outros
softwares, por possuir opções de simulação que envolve todos os segmentos do sistema,
permitindo a representação completa de qualquer tipo de topologia.
O software possibilita a realização de cálculos de fluxo de potência para sistemas
equilibrados e desequilibrados, conforme configuração da mesma. São utilizados dois métodos
de cálculo:
- Gauss: deve ser utilizado quando todos os pontos de fornecimento da rede analisada
são do tipo PQ, isto é, são definidos pelo módulo e fase da tensão.
Newton-Raphson: pode ser utilizado para qualquer tipo de rede equilibrada. Isso ocorre
porque quando uma rede possui um ponto de fornecimento do tipo PV, isto é, onde se conhece
69
o módulo de tensão e a potência ativa injetada, o único método adequado para sua análise é o
Newton-Raphson.
Ambos os métodos podem ser implementados tanto para redes equilibradas como para
redes desequilibradas, embora o método de Newton-Raphson precisa ser adaptado para redes
desequilibradas.
A ferramenta de Alocação de Capacitores indica pontos adequados para instalação de
capacitores no circuito, conforme a necessidade da compensação de reativos. Se baseando a
partir do ponto mais distante da fonte de suprimento e analisando o patamar de demanda
máxima (ou o patamar selecionado), o SINAPgrid realiza uma varredura na rede, analisando o
fluxo de potência reativa.
Se o nível de reativos for maior que uma unidade do banco de capacitores, esse ponto
se torna apto à alocação do capacitor. Este, então, é alocado, respeitando restrições, como a
quantidade em estoque, a potência reativa dos equipamentos, a distância mínima entre
instalações, o FP mínimo e/ou alocação somente no tronco do alimentador.
A ferramenta de que possibilita alocar equipamentos reguladores de tensão, indica
pontos para instalação na rede, dependendo da necessidade de melhorar os níveis de tensão.
Partindo da fonte de suprimento e analisando cada patamar (ou o patamar de demanda máxima),
o SINAPgrid realiza uma varredura na rede, analisando a tensão em cada barra, calculada pelo
fluxo de potência.
Se o nível de tensão for menor que o valor mínimo aceitável, esse ponto se torna apto à
alocação do regulador. Este, então, é alocado, respeitando restrições, como a quantidade em
estoque, a potência passante da unidade em estoque, a distância mínima entre reguladores em
série, a quantidade máxima por rede e/ou alocação somente no tronco do alimentador.
70
3 METODOLOGIA
Este estudo de caso é baseado na análise dos níveis de tensão de um dos alimentadores
que realizam a distribuição de energia elétrica da empresa Cerfox. Para isso, foi elaborada esta
metodologia para o estudo de caso, se baseando na situação atual do sistema, identificando e
diagnosticando possíveis irregularidades nos níveis de tensão em diversos patamares horários,
com a análise de alternativas técnicas para adequação da rede sob estudo.
Diante disso, havendo alguma violação dos níveis de tensão, apontar alternativas para
correção, considerando atender os mínimos aspectos econômico e técnico que a Cerfox
trabalha.
Na Figura 36, podemos ver o diagrama de blocos que identifica as etapas que foram
seguidas e aplicadas na metodologia deste estudo.
71
Figura 36 - Diagrama de blocos do desenvolvimento
Fonte: Autor (2020).
3.1 Coleta das informações do alimentador em estudo
Localizado no município de Arvorezinha – RS, o Alimentador denominado AL
ARVOREZINHA atende os perímetros rurais das cidades de Arvorezinha, Itapuca, Soledade e
Nova Alvorada e todo o perímetro urbano do município de Itapuca e uma parte de Arvorezinha.
A Figura 37 mostra a subestação com medição indireta em média tensão da Cerfox
atendida pelo alimentador SOL-12, oriundo da subestação Soledade na tensão 23,1 kV.
A extensão deste alimentador até a medição é em torno de 27 km na configuração
trifásico com condutores de bitola 1/0 CAA. Para atendimento a este ponto de medição há opção
de manobra com o alimentador GPR-22 da subestação de Guaporé distante uns 25 km, também
pertencente a RGE.
72
Figura 37 - Localização do ponto de conexão entre alimentadores da CERFOX e RGE
Fonte: Google Street View – Adaptado pelo autor (2020).
Após a medição indireta em MT, o alimentador Arvorezinha em rede trifásica com
condutores de bitola 4 CAA, operando na classe de tensão de 23.1 kV
Figura 38 - Unifilar do alimentador Arvorezinha com as áreas de atuação
Fonte: Software SinapGRID (2020).
73
Na Figura 38, temos o esquemático unifilar do alimentador Arvorezinha e do
A