GTD – Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica

Transcrição

Universidade Federal do Ceará
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia Elétrica
GTD – Geração, Transmissão e
Distribuição de Energia Elétrica
2009
Profa Ruth Leão Email: [email protected] HP: www.dee.ufc.br/~rleao
APRESENTAÇÃO
Esta apostila sobre aspectos da geração, transmissão e distribuição de
energia elétrica é o resultado de uma coletânea de notas de aula em
atendimento à disciplina de Geração, Transmissão e Distribuição de
Energia Elétrica – GTD, do curso de graduação em Engenharia Elétrica
da Universidade Federal do Ceará.
A preparação deste compêndio tem por objetivo contribuir
de estudantes de Engenharia Elétrica abordando assuntos
aos sistemas de potência. A apostila agrega conhecimento
segmentos dos sistemas elétricos de potência desde a
utilização da energia elétrica.
na formação
relacionados
dos diversos
geração até
Os assuntos abordados foram pesquisados em diversos livros e revistas
técnicas, não tendo a pretensão de esgotar todo o conhecimento dos
assuntos aqui tratados.
Aos alunos, a iniciativa pretende contribuir de forma efetiva no processo
ensino-aprendizagem não prescindindo da leitura de outras fontes
literárias especializadas.
Profa Ruth Leão Email: [email protected] HP: www.dee.ufc.br/~rleao
1-2
Capítulo 1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Introdução aos Sistemas Elétricos de Potência
Introdução
Objetivos da disciplina
História dos Sistemas Elétricos de Potência
Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro
Estrutura de um Sistema Elétrico de Potência
1.5.1 Geração de Energia Elétrica
1.5.2 Rede de Transmissão
1.5.3 Rede de Sub-transmissão
1.5.4 Rede de Distribuição
Características do Sistema Elétrico Brasileiro
1.6.1 Geração de Energia Elétrica no Brasil
1.6.2 Sistema Interligado Nacional
1.6.3 Transmissão de Energia Elétrica no Brasil
1.6.4 Sistemas de Distribuição no Brasil
Representação Esquemática de Sistemas de Potência
1.7.1 Características dos Sistemas Elétricos de
Potência
1.7.2 Representação do Sistema Elétrico
Tendências para o Mercado de Energia Elétrica
Profa Ruth P.S. Leão
Email: [email protected] Homepage: www.dee.ufc.br/~rleao
1-3
1.1 Introdução
Na história da sociedade, a energia elétrica, desde a sua descoberta,
sempre ocupou lugar de destaque, tendo em vista a dependência da
qualidade de vida e do progresso econômico da qualidade do produto e
dos serviços relacionados à energia elétrica, que por sua vez dependem
de como as empresas de eletricidade projetam, operam e mantêm os
sistemas elétricos de potência.
Energia
Elétrica
Qualidade
de Serviço e
do Produto
Qualidade de
Vida
Desenvolvimento
Econômico
Figura 1.1 Importância da eletricidade para a sociedade.
A energia elétrica proporciona à sociedade trabalho, produtividade e
desenvolvimento, e aos seus cidadãos conforto, comodidade, bem-estar
e praticidade, o que torna a sociedade moderna cada vez mais
dependente de seu fornecimento e mais suscetível às falhas do sistema
elétrico. Em contrapartida esta dependência dos usuários vem se
traduzindo em exigências por melhor qualidade de serviço e do produto.
A energia elétrica é uma das mais nobres formas de energia secundária.
A sua facilidade de geração, transporte, distribuição e utilização, com as
conseqüentes transformações em outras formas de energia, atribuem à
eletricidade uma característica de universalização, disseminando o seu
uso pela humanidade. No mundo de hoje, eletricidade, como alimento e
moradia, é um direito humano básico. Eletricidade é a dominante forma
1-4
de energia moderna para telecomunicações, tecnologia da informação, e
produção de bens e serviços.
Os crescimentos da população mundial e da economia nos países em
desenvolvimento implicam, necessariamente, no aumento do consumo
de energia, porém a produção de energia deve seguir os conceitos de
desenvolvimento sustentável e de responsabilidade ambiental. O gráfico
da Figura 1.2 apresenta o crescimento da geração mundial de
eletricidade por combustível, sendo estimado para os próximos 20 anos
um crescimento superior a 50% na produção mundial de eletricidade. A
eletricidade é a forma de energia de uso final que mais cresce no
período analisado (2006-2030).
35,0
Trillion Kilowatthours
31,8
30,0
28,9
26,0
25,0
20,0
23,2
Renewables
20,6
Coal
Natural Gas
18,0
15,0
Nuclear
10,0
Liquids
5,0
0,0
2006
2010
2015
2020
2025
Fonte: International
2030
Energy Outlook 2009
Figura 1.2 Geração mundial de energia elétrica.
Segundo resultados preliminares do Balanço Energético Nacional –
BEN1 2009, ano base 2008, o consumo final energético por fonte está
mostrado na Figura 1.3 onde se observa que a eletricidade representa
17,4% do consumo final ficando atrás apenas do óleo diesel – 17,7%,
sendo, portanto a segunda forma de energia mais consumida no país.
1
O BEN apresenta a contabilidade relativa à oferta e ao consumo de todas as formas energia no Brasil, contemplando as
atividades de extração de recursos energéticos primários, sua conversão em formas secundárias, a importação e a exportação,
a distribuição e o uso final da energia.
1-5
¹ Inclui apenas gasolina A (automotiva)
2
Outras Fontes Inclui lixívia, óleo combustível, gás de refinaria, coque de carvão mineral e carvão vegetal, dentre
outros
Fonte: Balanço Energético Nacional – BEN 2009 – Resultados Preliminares.
Figura 1.3 Consumo final energético por fonte no Brasil em 2009.
No Brasil, dentre as fontes primárias e secundárias de energia a fonte
hidráulica é a que mais contribui para produção de energia elétrica
(73,1%) estando os locais produtores em regiões quase sempre
distantes dos centros consumidores (Figura1.4). Com isso são
necessárias grandes extensões de linhas de transmissão e instalações
para repartir e distribuir a energia nos centros de consumo.
1-6
(*) Inclui lenha, bagaço de cana, lixívia e outras recuperações.
Fonte: Balanço Energético Nacional 2009 – Resultados Preliminares.
Figura 1.4 Estrutura da oferta de energia elétrica no Brasil em 2008.
A eletricidade apresenta uma combinação de atributos que a torna
distinta de outros produtos, como:
− dificuldade de armazenamento em termos econômicos;
− variações em tempo real na demanda, e na produção em caso de
fontes renováveis;
− falhas randômicas em tempo real na geração, transmissão e
distribuição; e
− necessidade de atender as restrições físicas para operação
confiável e segura da rede elétrica.
As condições de não armazenamento e de não violação das restrições
operativas impõem à eletricidade sua produção no momento exato em
que é requerida ou consumida fazendo com que o dimensionamento do
sistema elétrico seja determinado pelo nível máximo de energia
demandada, resultando em ociosidade dessas instalações durante o
período de menor demanda.
O atendimento dos aspectos de simultaneidade de produção e consumo,
exigindo instalações dimensionadas para a ponta de carga, e a longa
distância entre os locais de geração e os centros consumidores pode ser
traduzido pela necessária existência de um sistema de transmissão e de
distribuição longos e complexos, apoiados por uma estrutura de
1-7
instalações e equipamentos que, além de representar importantes
investimentos, exigem ações permanentes de planejamento, operação e
manutenção, e estão como qualquer produto tecnológico sujeito à falhas.
Os sistemas elétricos são tipicamente divididos em segmentos como:
geração, transmissão, distribuição, utilização e comercialização. A oferta
da energia elétrica aos seus usuários é realizada através da prestação
de serviço público concedido para exploração à entidade privada ou
governamental. As empresas que prestam serviço público de energia
elétrica o fazem por meio da concessão ou permissão concedidos pelo
poder público.
A disciplina de sistemas de energia elétrica apresenta uma visão
panorâmica da estrutura organizacional do setor elétrico nacional e de
cada um dos segmentos dos sistemas de potência.
1.2
Objetivos da disciplina
a) Apresentar a estrutura organizacional do setor elétrico brasileiro, seus
agentes e funções.
b) Apresentar os principais componentes de um sistema elétrico de
potência, suas funções e princípio de operação dos elementos.
c) Apresentar modelos de representação do sistema elétrico e de seus
componentes: circuito equivalente, representação unifilar, sistema por
unidade.
d) Apresentar modelos típicos de:
− Usinas de Geração: tipos, componentes, operação.
− Subestações: equipamentos, arranjos.
− Sistemas de Transmissão: parâmetros elétricos, modelos de linha,
capacidade de transporte.
− Sistemas de Distribuição: equipamentos de rede, característica da
carga, medição, tarifa.
1-8
d) Apresentar a automação dos sistemas elétricos de potência:
hierarquia organizacional dos sistemas elétricos, arquitetura do
sistema de automação, funções de supervisão e controle.
1.3
História dos Sistemas Elétricos de Potência
Muito da tecnologia hoje em uso deve-se a grandes pioneiros e
empreendedores da eletricidade. Seus nomes e feitos são aqui
registrados como tributo de reconhecimento pela grande constribuição.
James Watt 1736 – 1819 (Escocês)
− Mecânico, concebeu o princípio da máquina a vapor,
que possibilitou a revolução industrial.
− A unidade de potência útil foi dada em sua
homenagem (watt).
Alessandro Volta 1745 - 1827 (Italiano)
− Em 1800 anunciou a invenção da bateria.
− A unidade de força eletromotriz foi criada em sua
homenagem (volt).
André Marie Ampère 1775 - 1836 (Francês)
− Iniciou pesquisa em 1820 sobre campos elétricos e
magnéticos a partir do anunciado de Oersted (Oe –
intensidade de campo magnético).
− Descobriu que as correntes agiam sobre outras
correntes.
− Elaborou completa teoria experimental e matemática
lançando as bases do eletromagnetismo.
− A unidade de corrente elétrica foi escolhida em sua
homenagem (ampère).
Georg Simon Ohm 1789-1854 (Alemão)
− Em 1827 enunciou a lei de Ohm.
− Seu trabalho só foi reconhecido pelo mundo científico
em 1927.
− As unidades de resistência, reatância e impedância
elétrica foram escolhidas em sua homenagem (ohm).
1-9
Michael Faraday 1791-1867 (Inglês)
− Físico e químico, em 1831 descobriu a indução
eletromagnética.
− Constatou que o movimento de um imã através de uma
bobina de fio de cobre causava fluxo de corrente no
condutor.
− Estabeleceu o princípio do motor elétrico.
− Considerado um dos maiores experimentalistas de
todos os tempos.
− A unidade de capacitância é em sua homenagem (F).
Joseph Henry 1797-1878 (Americano)
− Descobriu a indutância de uma bobina.
− Em sua homenagem seu nome foi dado à unidade de
indutância (henry).
Gustav Robert Kirchhoff 1824–1887 (Alemão)
− Em 1847 anunciou as leis de Kirchhoff para correntes e
tensões.
Thomas Alva Edison 1847-1931 (Americano)
− Em 1879 inventou a lâmpada elétrica.
− Patenteou 1100 invenções: cinema, gerador elétrico,
máquina de escrever, etc.
− Criou a Edison General Electric Company.
− Foi sócio da ‘General Electric Company’.
− Instalou em 1882 a primeira usina de geração de
energia elétrica do mundo com fins comerciais, na área
de Wall Street, Distrito Financeiro da cidade de New
York. A Central gerava em corrente contínua, com seis
unidades geradoras com potência total de 700 kW,
para alimentar 7200 lâmpadas em 110 V. O primeiro
projeto de êxito de central elétrica havia sido instalado
no mesmo ano em Londres, com capacidade de
1-10
geração para 1000 lâmpadas2.
William Stanley 1858-1968 (Americano)
– Em 1885/6 desenvolveu comercialmente o
transformador.
Nikola Tesla 1856-1943 (Croata-Americano)
− Em 1888 inventou dos motores de indução e síncrono.
− Inventor do sistema polifásico.
− Responsável pela definição de 60 Hz como freqüência
padrão nos EUA.
− A unidade para densidade de fluxo magnético é em sua
homenagem (T).
George Westinghouse 1846-1914 (Americano)
− Inventor do disjuntor a ar.
− Comprou a patente do recém inventado transformador
dos ingleses Lucien Gaulard e John D. Gibbs.
− Comprou a patente do motor elétrico de Tesla.
− Em 1886 organizou a Westinghouse Electric Company.
− Venceu a batalha das correntes contra Edison.
1.4
Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro
O setor elétrico mundial tem passado por amplo processo de reestruturação organizacional. No modelo atual os sistemas elétricos são
tipicamente divididos em segmentos como: geração, transmissão,
distribuição, e comercialização.
No Brasil, este processo de re-estruturação foi desencadeado com a
criação de um novo marco regulatório, a desestatização das empresas
do setor elétrico, e a abertura do mercado de energia elétrica.
2
War of Currents (http://en.wikipedia.org/wiki/War_of_Currents)
1-11
Para gerenciar este novo modelo do setor elétrico, o Governo Federal
criou a estrutura organizacional apresentada na Figura 1.5 e definida a
seguir.
Fonte: ANEEL
Figura 1.5 Estrutura organizacional e os agentes do setor elétrico brasileiro.
a) Conselho Nacional de Política Energética – CNPE
Órgão de assessoramento do Presidente da República para formulação
de políticas nacionais e diretrizes de energia, visando, dentre outros, o
aproveitamento natural dos recursos energéticos do país, a revisão
periódica da matriz energética e a definição de diretrizes para programas
específicos.
b) Ministério de Minas e Energia – MME
Encarregado de formulação, do planejamento e da implementação de
ações do Governo Federal no âmbito da política energética nacional. O
MME detém o poder concedente.
c) Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico – CMSE
Constituído no âmbito do MME e sob sua coordenação direta, com a
função precípua de acompanhar e avaliar permanentemente a
1-12
continuidade e a segurança do suprimento eletro energético em todo o
território.
d) Empresa de Pesquisa Energética - EPE
Empresa pública federal vinculada ao MME tem por finalidade prestar
serviços na área de estudos e pesquisas destinados a subsidiar o
planejamento do setor energético.
e) Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL
Autarquia vinculada ao MME, com finalidade de regular a fiscalização, a
produção, transmissão, distribuição e comercialização de energia, em
conformidade com as políticas e diretrizes do Governo Federal. A
ANEEL detém os poderes regulador e fiscalizador.
f) Operador Nacional do Sistema Elétrico - ONS
Pessoa jurídica de direito privado, sem fins lucrativos, sob regulação e
fiscalização da ANEEL, tem por objetivo executar as atividades de
coordenação e controle da operação de geração e transmissão, no
âmbito do SIN (Sistema Interligado Nacional). O ONS é responsável pela
operação física do sistema e pelo despacho energético centralizado.
g) Câmara de Comercialização de Energia Elétrica - CCEE
Pessoa jurídica de direito privado, sem fins lucrativos, sob regulação e
fiscalização da ANEEL, com finalidade de viabilizar a comercialização de
energia elétrica no Sistema Interligado Nacional - SIN. Administra os
contratos de compra e venda de energia elétrica, sua contabilização e
liquidação. A CCEE é responsável pela operação comercial do sistema.
A comercialização de energia elétrica é atualmente realizada em dois
ambientes diferentes:
- Ambiente de Contratação Livre (ACL): destinado ao atendimento de
consumidores livres3 por meio de contratos bilaterais firmados com
produtores independentes de energia, agentes comercializadores ou
geradores estatais. Estes últimos só podem fazer suas ofertas por meio
de leilões públicos.
3
Consumidor livre: consumidor que pode optar pela compra de energia elétrica junto a qualquer fornecedor, que
é atendido em qualquer tensão e com demanda contratada mínima de 3MW. (Resolução ANEEL No. 264 e 456).
1-13
- Ambiente de Contratação Regulada (ACR): destinado ao atendimento
de consumidores cativos por meio das distribuidoras, sendo estas
supridas por geradores estatais ou independentes que vendem energia
em leilões públicos anuais.
h) Agências Estaduais de Energia Elétrica
Nos estados foram criadas as Agências Reguladoras Estaduais com a
finalidade de descentralizar as atividades da ANEEL. A Figura 1.6
apresenta as agências reguladoras estaduais.
Figura 1.6 Agências reguladoras nacionais.
i) Eletrobrás
A Eletrobrás controla grande parte dos sistemas de geração e
transmissão de energia elétrica do Brasil por intermédio de seis
subsidiárias: Chesf, Furnas, Eletrosul, Eletronorte, CGTEE (Companhia
de Geração Térmica de Energia Elétrica) e Eletronuclear. A empresa
possui ainda 50% da Itaipu Binancional e também controla o Centro de
Pesquisas de Energia Elétrica (Cepel), o maior de seu gênero no
Hemisfério Sul. A Eletrobrás dá suporte a programas estratégicos do
governo federal, como o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas
de Energia Elétrica (Proinfa), o Programa Nacional de Universalização
do Acesso e Uso da Energia Elétrica (Luz para Todos) e o Programa
Nacional de Conservação de Energia Elétrica (Procel).
1-14
j) Agentes Setoriais
Agentes relacionados ao setor de energia elétrica (Tabela 1.1).
Tabela 1.1. Associações Setoriais de Energia Elétrica.
ABRAGE
Associação Brasileira das Empresas Geradoras de Energia
Elétrica.
Empresas associadas: AES TIETÊ, CDSA, CEMIG, CESP, CEEE,
DUKE-GP, CHESF, COPEL, ELETRONORTE, EMAE, FURNAS, LIGHT,
TRACTEBEL ENERGIA
ABRATE
Associação Brasileira de Grandes Empresas de
Transmissão de Energia Elétrica.
Empresas associadas: CEMIG, CTEEP, CHESF, COPEL Transmissão
S.A, ELETRONORTE, Furnas Centrais Elétricas AS, Companhia Estadual de
Geração e Transmissão de Energia Elétrica - CEEE GT, ELETROSUL Centrais
Elétricas S.A.
ABRADEE
Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica.
Empresas associadas (48 dentre as 67 concessionárias de
distribuição): AES SUL DISTRIBUIDORA GAÚCHA DE ENERGIA S.A.;
AMPLA - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO RIO DE JANEIRO;
BANDEIRANTE ENERGIA S.A.; BOA VISTA ENERGIA S.A.; COMPANHIA DE
ELETRICIDADE DA BORBOREMA; EMPRESA ELÉTRICA BRAGANTINA;
CAIUA SERVIÇOS DE ELETRICIDADE S.A.; COMPANHIA FORÇA E LUZ
CATAGUAZES LEOPOLDINA; CEAL - COMPANHIA ENERGÉTICA DE
ALAGOAS; CEAM - COMPANHIA ENERGÉTICA DO AMAZONAS (incorporada
pela Manaus Energia S.A. (MASA); CEB - COMPANHIA ENERGÉTICA DE
BRASÍLIA; CEEE - COMPANHIA ESTADUAL DE ENERGIA ELÉTRICA; CELESC
- CENTRAIS ELÉTRICAS DE SANTA CATARINA S.A.; CELG - COMPANHIA
ENERGÉTICA DE GOIÁS; CELPA - CENTRAIS ELÉTRICAS DO PARÁ S.A.;
CELPE - COMPANHIA ENERGÉTICA DE PERNAMBUCO; CELTINS COMPANHIA DE ENERGIA ELÉTRICA DO ESTADO DO TOCANTINS; CEMAR COMPANHIA ENERGÉTICA DO MARANHÃO; CEMAT - CENTRAIS ELÉTRICAS
MATOGROSSENSES S.A.; CEMIG - COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS
GERAIS; CENF - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DE NOVA FRIBURGO;
CEPISA - COMPANHIA ENERGÉTICA DO PIAUÍ; CERON - CENTRAIS
ELÉTRICAS DE RONDÔNIA S.A; CFLO - COMPANHIA FORÇA E LUZ DO
OESTE; CHESP - COMPANHIA HIDROELÉTRICA SÃO PATRÍCIO; COELBA COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO ESTADO DA BAHIA; COELCE COMPANHIA ENERGÉTICA DO CEARÁ; COPEL - COMPANHIA PARANAENSE
DE ENERGIA; COSERN - COMPANHIA ENERGÉTICA DO RIO GRANDE DO
NORTE; CPEE - COMPANHIA PAULISTA DE ENERGIA ELÉTRICA; CPFL COMPANHIA PAULISTA DE FORÇA E LUZ; DEM – P.CALDAS DEPARTAMENTO MUNICIPAL DE ELETRICIDADE DE POÇOS DE CALDAS;
ELEKTRO - ELEKTRO ELETRICIDADE E SERVIÇOS S.A; ELETROACRE COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO ACRE; ELETROCAR - CENTRAIS
ELÉTRICAS DE CARAZINHO S.A.; ELETROPAULO - ELETROPAULO
METROPOLITANA ELETRICIDADE DE SÃO PAULO S.A.; ENERGIPE EMPRESA ENERGÉTICA DE SERGIPE S.A.; ENERSUL - EMPRESA
ENERGÉTICA DE MATO GROSSO DO SUL S.A.; ESCELSA - ESPÍRITO SANTO
CENTRAIS ELÉTRICAS S.A.; IGUAÇU DISTRIBUIDORA DE ENERGIA
ELÉTRICA LTDA.; LIGHT SERVIÇOS DE ELETRICIDADE S.A.; MANAUS
1-15
ENERGIA S.A.; COMPANHIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA;
HIDROELÉTRICA PANAMBI S. A.; EMPRESA DE ELETRICIDADE VALE
PARANAPANEMA S.A.; COMPANHIA PIRATININGA DE FORÇA E LUZ; RGE RIO GRANDE ENERGIA S.A.; SAELPA - SOCIEDADE ANÔNIMA DE
ELETRIFICAÇÃO DA PARAÍBA; EMPRESA LUZ E FORÇA SANTA MARIA S.A.;
SULGIPE - COMPANHIA SUL SERGIPANA DE ELETRICIDADE.
ABEER
Associação Brasileira das Empresas de Energia Renovável
ABRACEEL Associação Brasileira dos Agentes Comercializadores de
Energia Elétrica
ABRACEE Associação Brasileira de Grandes Consumidores
Industriais de Energia e de Consumidores Livres
APINE
Associação Brasileira dos Produtores Independentes de
Energia Elétrica - Os produtores independentes (PIEs) são
empresas ou grupo de empresas reunidas em consórcio,
com autorização ou concessão para produzir energia
destinada ao comércio de toda ou parte da produção por
sua conta e risco. Os PIs têm como garantia o livre acesso
aos sistemas elétricos, além disso, têm autonomia para
fechar contratos bilaterais de compra e venda de energia
elétrica.
1.5
Estrutura de um Sistema Elétrico de Potência
O objetivo de um sistema elétrico de potência (SEP) é gerar, transmitir e
distribuir energia elétrica atendendo a determinados padrões de
confiabilidade, disponibilidade, qualidade, segurança e custos, com o
mínimo impacto ambiental e o máximo de segurança pessoal.
– Confiabilidade e disponibilidade são duas importantes e distintas
características que os SEPs devem apresentar. Ambos são
expressos em %.
o Confiabilidade
representa
a
probabilidade
de
componentes, partes e sistemas realizarem suas
funções requeridas por um dado período de tempo sem
falhar. Confiabilidade representa o tempo que o
componente, parte ou sistema levará para falhar. A
confiabilidade não reflete o tempo necessário para a
unidade em reparo retornar à condição de trabalho.
o Disponibilidade é definida como a probabilidade que o
sistema esteja operando adequadamente quando
1-16
requisitado para uso. Em outras palavras, é a
probabilidade de um sistema não estar com falha ou em
reparo quando requisitado para uso. A expressão
abaixo quantifica a disponibilidade:
A=
MTBF
MTBF + MTTR
(1)
A – availability (disponibilidade)
MTBF – tempo médio entre falhas ou MTTF
MTTR – tempo médio para reparo - inclui desde a
detecção até a retificação da falha.
A disponibilidade é função da confiabilidade e da
manutenabilidade – exercício da manutenção. Se um
sistema
tem
uma
alta
disponibilidade
não
necessariamente terá uma alta confiabilidade.
Tabela 1.2 Relação entre confiabilidade, manutenabilidade e disponibilidade.
[Fonte: http://www.weibull.com/hotwire/issue26/relbasics26.htm]
Confiabilidade
Constante
Constante
Aumentar
Diminuir
Manutenabilidade
Diminuir
Aumentar
Constante
Constante
Disponibilidade
Diminuir
Aumentar
Aumentar
Diminuir
Como pode ser visto na Tabela 1.2, se a confiabilidade
é mantida constante, mesmo em um valor alto, isto não
implica diretamente uma alta disponibilidade. Quando o
tempo para reparo aumenta, a disponibilidade diminui.
Mesmo um sistema com uma baixa confiabilidade
poderia ter uma alta disponibilidade se o tempo para
reparo é curto.
– Qualidade da energia é a condição de compatibilidade entre
sistema supridor e carga atendendo critérios de conformidade
senoidal.
– Segurança está relacionado com a habilidade do sistema de
responder a distúrbios que possam ocorrer no sistema. Em geral
1-17
os sistemas elétricos são construídos para continuar operando
após ser submetido a uma contingência.
A estrutura do sistema elétrico de potência compreende os sistemas de
geração, transmissão, distribuição e subestações de energia elétrica, em
geral cobrindo uma grande área geográfica.
Figura 1.7 Estrutura básica de um sistema elétrico.
O sistema atual de energia elétrica é baseado em grandes usinas de
geração que transmitem energia através de sistemas de transmissão de
alta tensão, que é então distribuída para sistemas de distribuição de
média e baixa tensão. Em geral o fluxo de energia é unidirecional e a
energia é despachada e controlada por centro(s) de despacho com base
em requisitos pré-definidos.
Normalmente os sistemas de distribuição são gerenciados por
monopólios empresariais, enquanto o setor de geração e de transmissão
apresenta certa competitividade em um sistema desverticalizado.
A Figura 1.8 ilustra os três segmentos tradicionais de redes de energia
elétrica.
1-18
Figura 1.8 Estrutura tradicional de uma rede de energia elétrica. [Fonte: Aneel].
1.5.1 Geração de Energia Elétrica
Na geração de energia elétrica uma tensão alternada é produzida, a qual
é expressa por uma onda senoidal, com freqüência fixa e amplitude que
varia conforme a modalidade do atendimento em baixa, média ou alta
tensão. Essa onda senoidal propaga-se pelo sistema elétrico mantendo a
freqüência constante e modificando a amplitude à medida que trafegue
por transformadores. Os consumidores conectam-se ao sistema elétrico
e recebem o produto e o serviço de energia elétrica.
1.5.2 Rede de Transmissão
A rede de transmissão liga as grandes usinas de geração às áreas de
grande consumo. Em geral apenas poucos consumidores com um alto
consumo de energia elétrica são conectados às redes de transmissão
onde predomina a estrutura de linhas aéreas.
A segurança é um aspecto fundamental para as redes de transmissão.
Qualquer falta neste nível pode levar a descontinuidade de suprimento
para um grande número de consumidores. A energia elétrica é
permanentemente monitorada e gerenciada por um centro de controle. O
nível de tensão depende do país, mas normalmente o nível de tensão
estabelecido está entre 220 kV e 765 kV.
1-19
1.5.3 Rede de Sub-Transmissão
A rede de sub-transmissão recebe energia da rede de transmissão com
objetivo de transportar energia elétrica a pequenas cidades ou
importantes consumidores industriais. O nível de tensão está entre 35 kV
e 160 kV.
Em geral, o arranjo das redes de sub-transmissão é em anel para
aumentar a segurança do sistema. A estrutura dessas redes é em geral
em linhas aéreas, por vezes cabos subterrâneos próximos a centros
urbanos fazem parte da rede. A permissão para novas linhas aéreas está
cada vez mais demorada devido ao grande número de estudos de
impacto ambiental e oposição social. Como resultado, é cada vez mais
difícil e caro para as redes de sub-transmissão alcançar áreas de alta
densidade populacional. Os sistemas de proteção são do mesmo tipo
daqueles usados para as redes de transmissão e o controle é regional.
1.5.4 Redes de Distribuição
As redes de distribuição alimentam consumidores industriais de médio e
pequeno porte, consumidores comerciais e de serviços e consumidores
residenciais.
Os níveis de tensão de distribuição são assim classificados segundo o
Prodist:
− Alta tensão de distribuição (AT): tensão entre fases cujo valor eficaz é
igual ou superior a 69kV e inferior a 230kV.
− Média tensão de distribuição (MT): tensão entre fases cujo valor
eficaz é superior a 1kV e inferior a 69kV.
− Baixa tensão de distribuição (BT): tensão entre fases cujo valor eficaz
é igual ou inferior a 1kV.
De acordo com a Resolução No456/2000 da ANEEL e o módulo 3 do
Prodist, a tensão de fornecimento para a unidade consumidora se dará
de acordo com a potência instalada:
− Tensão secundária de distribuição inferior a 2,3kV: quando a carga
instalada na unidade consumidora for igual ou inferior a 75 kW;
1-20
− Tensão primária de distribuição inferior a 69 kV: quando a carga
instalada na unidade consumidora for superior a 75 kW e a demanda
contratada ou estimada pelo interessado, para o fornecimento, for
igual ou inferior a 2.500 kW;
− Tensão primária de distribuição igual ou superior a 69 kV: quando a
demanda contratada ou estimada pelo interessado, para o
fornecimento, for superior a 2.500 kW.
As tensões de conexão padronizadas para AT e MT são: 138 kV (AT), 69
kV (AT), 34,5 kV (MT) e 13,8 kV (MT). O setor terciário, tais como
hospitais, edifícios administrativos, pequenas indústrias, etc, são os
principais usuários da rede MT.
A rede BT representa o nível final na estrutura de um sistema de
potência. Um grande número de consumidores, setor residencial, é
atendido pelas redes em BT. Tais redes são em geral operadas
manualmente.
Tabela 1.3 Tensões Nominais Padronizadas de Baixa Tensão – Prodist Módulo 3
A Figura 1.9 mostra um diagrama com a representação dos vários
segmentos de um sistema de potência com seus respectivos níveis de
tensão.
1-21
Classificação:
Acima de 765 kV
230kV<V≤765kV
35 kV <V≤ 230kV
1 kV<V≤ 35 kV
V ≤ 1000 V
(UAT)
(EAT)
(AT)
(MT)
(BT)
Figura 1.9 Faixas de tensão de sistemas elétricos.
Os níveis de tensões praticados no Brasil são: 765 kV, 525 kV, 500 kV,
440 kV, 345 kV, 300 kV, 230 kV, 161 kV, 138 kV, 132 kV, 115 kV, 88 kV,
69 kV, 34,5 kV, 23 kV, 13,8 kV, 440 V, 380 V, 220 V, 110 V.
1.6
Características do Sistema Elétrico Brasileiro
1.6.1 Geração de Energia Elétrica no Brasil
O sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil pode
ser classificado como hidrotérmico de grande porte, com forte
predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários.
A maior parte da capacidade instalada é composta por usinas
hidrelétricas, que se distribuem em 12 diferentes bacias hidrográficas
nas diferentes regiões do país de maior atratividade econômica. São os
casos das bacias dos rios Tocantins, Paranaíba, São Francisco,
Paranaíba, Grande, Paraná, Tietê, Paranapanema, Iguaçu, Uruguai e
Jacuí onde se concentram as maiores centrais hidrelétricas.
1-22
[Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/mapas_sin.aspx#]
Figura 1.10 Integração eletroenergética no Brasil.
Os reservatórios nacionais situados em diferentes bacias hidrográficas,
que não têm nenhuma ligação física entre si, funcionam como se fossem
vasos comunicantes interligados por linhas de transmissão.
A capacidade de geração do Brasil em 2008 é de 104.851.356 kW de
potência, com um total de total 2.100 empreendimentos em operação.
Figura 1.11 Participação de fontes de geração no Brasil4. [Fonte: Annel]
1-23
Os dez agentes de maior capacidade instalada no país são
apresentados na Tabela 1.4.
Nº
1º
2º
3º
4º
5º
6º
7º
8º
9º
10º
Tabela 1.4 Maiores agentes de capacidade instalada no Brasil
(Usinas em Operação). Fonte: Aneel
Potência Instalada
Agentes do Setor
(kW)
Companhia Hidro Elétrica do São
10.618.327
Francisco CHESF
Furnas Centrais Elétricas S/A. FURNAS
9.456.900
Centrais Elétricas do Norte do Brasil S/A.
9.256.933,10
ELETRONORTE
Companhia Energética de São Paulo
7.455.300
CESP
Itaipu Binacional ITAIPU
7.000.000
Tractebel Energia S/ATRACTEBEL
6.965.350
CEMIG Geração e Transmissão S/A
6.782.134
CEMIG-GT
Petróleo Brasileiro S/APETROBRÁS
4.832.276,60
Copel Geração e Transmissão
4.544.914
S.A.COPEL-GT
AES Tietê S/AAES TIETÊ
2.645.050
1.6.2 Sistema Interligado Nacional - SIN
O parque gerador nacional é constituído, predominantemente, de
centrais hidrelétricas de grande e médio porte, instaladas em diversas
localidades do território nacional. Por outro lado, existe uma
concentração de demanda em localidades industrializadas onde não se
concentram as centrais geradoras. Estas características são imperativas
para a implantação de um sistema de transmissão de longa distância.
Até 1999, o Brasil possuía vários sistemas elétricos desconectados, o
que impossibilitava uma operação eficiente das bacias hidrográficas
regionais e da transmissão de energia elétrica entre as principais usinas
geradoras. Com o objetivo de ampliar a confiabilidade, otimizar os
recursos energéticos e homogeneizar mercados foi criado o sistema
4
Legenda: CGH Central Geradora Hidrelétrica (até 1MW); EOL Central Geradora Eolielétrica; PCH Pequena Central
Hidrelétrica (de 1MW a 30MW); SOL Central Geradora Solar Fotovoltaica; UHE Usina Hidrelétrica de Energia; UTE Usina
Termelétrica de Energia; UTN Usina Termonuclear.
1-24
interligado nacional - SIN, o qual é responsável por mais de 95% do
fornecimento nacional. Sua operação é coordenada e controlada pelo
Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS.
A Operação Nacional do Sistema Elétrico através do ONS concentra sua
atuação sobre a Rede de Operação do Sistema Interligado Nacional. A
Rede de Operação é constituída pela Rede Básica, Rede Complementar,
e Usinas submetidas ao despacho centralizado, sendo a Rede
Complementar aquela situada fora dos limites da Rede Básica e cujos
fenômenos têm influência significativa nesta.
Figura 1.12 Redes de operação do sistema interligado nacional [Fonte: ONS].
O sistema interligado de eletrificação permite que as diferentes regiões
permutem energia entre si, quando uma delas apresenta queda no nível
dos reservatórios. Como o regime de chuvas é diferente nas regiões Sul,
Sudeste, Norte e Nordeste, os grandes troncos (linhas de transmissão da
mais alta tensão: 500 kV ou 750 kV) possibilitam que os pontos com
produção insuficiente de energia sejam abastecidos por centros de
geração em situação favorável.
1-25
Sistema B
Sistema A
Sistema E
Sistema C
Sistema D
Figura 1.13 Exemplo de sistema elétrico interligado.
Vantagens dos sistemas interligados:
Aumento da estabilidade – sistema torna-se mais robusto podendo
absorver, sem perda de sincronismo, maiores impactos elétricos.
Aumento da confiabilidade – permite a continuidade do serviço em
decorrência da falha ou manutenção de equipamento, ou ainda
devido às alternativas de rotas para fluxo da energia.
Aumento da disponibilidade do sistema – a operação integrada
acresce a disponibilidade de energia do parque gerador em relação
ao que se teria se cada empresa operasse suas usinas isoladamente.
Mais econômico – permite a troca de reservas que pode resultar em
economia na capacidade de reservas dos sistemas. O intercâmbio de
energia está baseado no pressuposto de que a demanda máxima dos
sistemas envolvidos acontece em horários diferentes. O intercâmbio
pode também ser motivado pela importação de energia de baixo custo
de uma fonte geradora, como por exemplo, a energia hidroelétrica
para outro sistema cuja fonte geradora apresenta custo mais elevado.
Desvantagens dos sistemas interligados:
Distúrbio em um sistema afeta os demais sistemas interligados.
A operação e proteção tornam-se mais complexas.
1-26
1.6.3 Transmissão de Energia Elétrica no Brasil
As linhas de transmissão no Brasil costumam ser extensas, porque as
grandes usinas hidrelétricas geralmente estão situadas a distâncias
consideráveis dos centros consumidores de energia. Hoje o país está
quase que totalmente interligado, de norte a sul.
As principais empresas investidoras em linhas de transmissão no país
estão relacionadas na Tabela 1.5.
Tabela 1.5 Maiores transmissores do país – Extensão de linhas (km)
Fonte ABRATE Maio/2008
Nº
Agentes do Setor km de linhas
1º
FURNAS
19.082
2º
CTEEP
18.495
3º
CHESF
18.260
4º
Eletrosul
10.693
5º
Eletronorte
7.856
6º
CEEE
6.008
7º
CEMIG
4.875
8º
COPEL
1.766
Apenas o Amazonas, Roraima, Acre, Amapá, Rondônia e parte dos
Estados do Pará ainda não fazem parte do sistema integrado de
eletrificação. Nestes Estados, o abastecimento é feito por pequenas
usinas termelétricas ou por usinas hidrelétricas situadas próximas às
suas capitais.
No Brasil, a interligação do sistema elétrico liga as diferentes regiões do
país como pode ser visto no mapa da Figura 1.14 que apresenta o
Sistema de Transmissão Nacional.
1-27
[Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/mapas_sin.aspx#]
Figura 1.14 Sistema de transmissão brasileiro [Fonte: Aneel].
ß Sistema norte – centro-oeste → o primeiro circuito de interligação,
conhecido por Linhão Norte-Sul, foi construído em 500 kV, com 1.277
km de extensão, capacidade de transmissão de 1100MW e com
transferência média de 600MW, o que representou o acréscimo de
uma usina de 600MW para o sistema sul-sudeste brasileiro. Embora a
interligação seja conhecida como ‘ligação norte-sul’ o circuito interliga
o estado de Tocantins ao Distrito Federal. Em março de 2004 foi
inaugurado o segundo circuito de interligação norte-sul II, com 1278
km de extensão, operando em 500 kV, passando pelas SE Imperatriz,
no Maranhão, Colinas, Miracema e Gurupi, no Tocantins, Serra da
1-28
Mesa em Goiás, e Samambaia em Brasília. Os circuitos em 500kV
transmitem energia da UHE Luis Eduardo Magalhães – Lajeado,
localizada no rio Tocantins, entre os municípios de Lajeado e
Miracema do Tocantins com potência instalada de 902,5 MW. A UHE
Lajeado é o maior empreendimento de geração realizado pela
iniciativa privada no Brasil.
ß Expansão da linha de transmissão Interligação Norte-Sul (Centrooeste-Sudeste) com tensão de 500 kV. Essa linha interliga as
subestações de Samambaia (DF), Itumbiara (GO) e Emborcação
(SP). A linha permitirá o escoamento, para a região Sudeste, da
energia gerada pelas usinas de Lajeado (TO), Cana Brava (GO), e 2a
etapa de Tucuruí (PA).
ß Sistema interligado sudeste – centro-oeste → concentra pelo menos
60% da demanda de energia no Brasil.
ß Sistema sul – sudeste → com energia transferida da usina de Itaipu (2
circuitos em CC em 600kV ligando a usina a São Roque (SP), 2
circuito 765kV ligando a usina a Tijuco Preto).
ß Sistema nordeste → hoje a região Nordeste importa energia elétrica
das hidrelétricas de Lajeado, em Tocantins, Cana Brava, em Goiás, e
Tucuruí I e II, no Pará.
Grande parte da região norte e uma parcela reduzida da região centrooeste, além de algumas pequenas localidades esparsas pelo território
brasileiro, ainda não fazem parte do sistema interligado, sendo o
suprimento de energia elétrica efetuado, quando existente, por meio de
pequenos sistemas elétricos isolados. Nesses casos, a produção de
eletricidade é normalmente efetuada por meio de unidades geradoras de
pequeno porte, utilizando freqüentemente motores Diesel como
equipamento motriz. A existência desses sistemas isolados, em algumas
situações, como é o caso dos sistemas das cidades de Manaus, Boa
Vista (Roraima) e Porto Velho (Rondônia), assumem proporções de
relativa significância, com demandas superiores a 100MW, em grande
parte responsáveis pela predominância da geração termelétrica a diesel.
1-29
Para atender às políticas externa e energética, o Brasil está interligado
aos países vizinhos como Venezuela (para fornecimento a Manaus e
Boa Vista), Argentina, Uruguai, e Paraguai.
1.6.4 Sistemas de Distribuição no Brasil
Os sistemas de distribuição de energia elétrica no Brasil incluem todas
as redes e linhas de distribuição de energia elétrica em tensão inferior a
230 kV, seja em baixa tensão (BT), média tensão (MT) ou alta tensão
(AT).
– Alta tensão (AT): Tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou
superior a 69 kV e inferior a 230 kV, ou instalações em tensão igual
ou superior a 230 kV quando especificamente definidas pela ANEEL.
– Média tensão (MT): Tensão entre fases cujo valor eficaz é superior a
1 kV e inferior a 69 kV.
– Baixa tensão (BT): Tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou
inferior a 1 kV.
Tabela 1.6 Dez Maiores agentes de distribuição do país (por consumo)
Fonte ABRADEE Dez/2007
Consumo em
Nº
Empresa
GWh
1º
Eletropaulo
32.548
2º
Cemig
20.693
3º
CPFL
18.866
4º
Copel
18.523
5º
Light
18.235
6º
Celesc
13.829
7º
Coelba
11.403
8º
Elektro
10.055
9º
Celpe
8.171
10º
Piratininga
8.015
1.7
Representação Esquemática de Sistemas de Potência
Os símbolos para representação dos componentes elétricos são
apresentados na Figura 1.15.
1-30
1-31
Figura 1.15 Símbolos de componentes elétricos.
1.7.1 Características dos Sistemas Elétricos de Potência
Os Sistemas Elétricos
características:
de
Potência
apresentam
as
seguintes
Normalmente são trifásicos;
1-32
Apresentam um grande número de componentes;
Possuem transformadores que particionam o sistema em seções de
diferentes níveis de tensão.
1.7.2 Representação do Sistema Elétrico
Os sistemas elétricos podem ser representados graficamente através de:
- Diagramas Unifilares
- Diagramas Multifilares
- Diagrama Equivalente por Fase
a) Diagrama Unifilar
- Representa os principais componentes por símbolos e suas
interconexões com a máxima simplificação e omissão do condutor
neutro.
- Representa apenas uma fase do sistema.
- Representam sistemas monofásicos ou trifásicos.
Na Figura 1.16 é apresentado um diagrama unifilar simplificado de um
sistema elétrico de potência.
SE 1
SE 2
Sistema de Geração
Sistema de Transmissão
G
~
D
D
LT
D
D
Sistema de
Distribuição
Figura 1.16 Diagrama unifilar simplificado de um SEP.
LEGENDA:
G – Geração
D – Equipamento de Disjunção
SE 1 – Subestação Elevadora
SE 2 – Subestação Distribuidora
LT – Linha de Transmissão
C – Carga ou Consumidor
1-33
Conforme apresentado na Figura 1.17, cada elemento de um sistema
elétrico deve ser protegido através de um sistema de proteção.
Figura 1.17 Proteção de um alimentador de subestação.
b) Diagrama Multifilar
Os diagramas multifilares podem ser bifásicos ou trifásicos. As Figuras
1.18 e 1.19 ilustram um diagrama trifilar, representando um circuito de
saída de linha e uma linha de transmissão interligando subestações,
respectivamente.
Figura 1.18 Saída de um circuito de uma subestação de sub-trasmissão.
1-34
Figura 1.19 Diagrama trifilar de uma LT interligando subestações
com proteção sobrecorrente direcional função 67.
c) Diagrama Equivalente Por Fase
Representa as grandezas normalizadas.
à Simplifica a análise numérica.
à Elimina o efeito particionador dos transformadores.
à Usado para mostrar os dados de impedância de geradores, linhas,
transformadores, capacitores, cabos, etc.
Figura 1.20 Diagrama unifilar de sistema elétrico de potência.
1-35
Figura 1.21 Diagrama de impedâncias.
As impedâncias são usadas para cálculos de queda-de-tensão, curtocircuito, carregamento de circuitos, etc.
Figura 1.22 Diagrama unifilar, trifilar e de impedância.
1-36
Aplicação:
Um sistema trifásico é alimentado em 60 Hz por uma fonte ca em 2400 V
tensão de linha, que supre duas cargas paralelas:
Carga 1: 300kVA FPD= 0.8 atrasado
Carga 2: 240kVA FPD= 0.6 adiantado
Construa diagrama unifilar do sistema. Qual o valor da corrente nas
outras duas fases?
1.8
Tendências para o Mercado de Energia Elétrica5
O desenvolvimento atual do modelo internacional de mercado de energia
elétrica tem sido baseado em fluxo unidirecional de energia e,
possivelmente, por razões tecnológicas, em alguns casos, e razões
econômicas, em muitos outros, o mercado está baseado em tarifas fixas
e limitações de informações em tempo real sobre gerenciamento de
carga.
O mercado de transmissão e distribuição de energia elétrica está
caracterizado por monopólios naturais dentro de áreas geográficas. A
ausência de competição faz com que as tarifas sejam controladas por
agentes reguladores.
A nova tendência internacional é de liberalização do mercado de energia
elétrica com o estabelecimento de comércio de energia on-line e de
consumidores com o direito de escolher seu supridor de energia elétrica.
Atualmente a maioria dos usuários da rede de energia elétrica são
receptores passivos sem nenhuma participação no gerenciamento da
operação da rede. Cada consumidor é simplesmente um absorvedor de
eletricidade. As redes de energia elétrica deverão em um futuro não
longínquo permitir que seus usuários exerçam um papel ativo na cadeia
de suprimento de energia elétrica.
Com a consolidação da geração distribuída em um mercado liberalizado
de energia elétrica, um novo modelo de geração deverá surgir em que
coexistirão geração centralizada e geração descentralizada. Um grande
5
M.S. Jimenez. Smart Electricity Network based on Large Integration of Renewable Sources and Distributed
Generation. PhD Thesis presented at Kassel University. June of 2006. 158 pages.
1-37
número de pequenos e médios produtores de energia elétrica com
tecnologia baseada em fontes renováveis de energia deverá ser
integrado à rede elétrica. Milhares de usuários terão geração própria
tornando-se ambos, produtores e consumidores de energia elétrica. O
mercado de energia elétrica deverá fazer uso pleno de ambos, grandes
produtores centralizados e pequenos produtores distribuídos.
Pequenos produtores quando operando interligados à rede de
distribuição em baixa tensão dão origem a um novo tipo de sistema de
potência denominado de Microredes. As microredes podem operar em
modo autônomo ou como parte da rede principal de energia elétrica.
Quando várias fontes são conectadas entre si e operam de forma
conjunta e coordenada dá origem ao que se denomina de plantas de
geração virtual.
Figura 1.23 Micro rede.
As Plantas Virtuais de Geração são operadas coletivamente por uma
entidade de controle centralizado, pois assumem a grandeza de uma
planta convencional podendo operar no mercado de energia elétrica.

GTD – Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica

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