Geração de Energia Elétrica - Introdução

Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica Jim S. Naturesa

Linhas de transmissão

São tensões típicas de transmissão no Brasil os níveis em alta tensão (AT) de 138 kV e 230 kV, e, em extra-alta tensão (EAT), de 345 kV, 440 kV, 500 kV e 765 kV.

São tensões típicas de subtransmissão no Brasil os níveis de 34,5 kV, 69 kV, 88 kV e 138 kV e, em alguns grandes centros urbanos, o nível de 230 kV.

Antes de ser consumida, a energia elétrica passa por mais um estágio, isto é, a distribuição . Subestações de distribuição reduzem a tensão do nível de repartição para que a energia possa chegar próximo às nossas casas e permitir o seu uso. As tensões de distribuição são de 3 a 25 kV na rede primária e de 110 a 380 V na rede secundária.

Linhas

Em resumo, são quatro as funções dos sistemas de transporte de energia:

1) Transmissão: interligação da geração aos centros de carga.

2) Interconexão: interligação entre sistemas independentes.

3) Subtransmissão: rede para casos em que a distribuição não se conecta diretamente à transmissão.

4) Distribuição: rede que interliga a transmissão ou a subtransmissão aos pontos de consumo.

Linhas

A potência ativa trifásica é dada por:

P trifásico = √3 * V* I * cos (φ)

Onde:

P é a potência ativa em MW;

V é a tensão de transmissão entre fases em kV (valor eficaz);

I é a corrente em cada uma das 3 fases em kA (valor eficaz);

cos (φ) é o fator de potência, ligado ao conteúdo de potência reativa da transmissão.

Linhas

O ideal é obter um valor mínimo para a potência reativa de modo a maximizar a potência ativa transferida para um mesmo nível de tensão.

A potência reativa está relacionada às "trocas de energia" existentes entre elementos ativos do sistema tais como: capacitores, reatores, linhas de transmissão, geradores etc.

Essas trocas de energia são devidas à natureza dos componentes e não podem ser completamente eliminadas em sistemas de corrente alternada.

Observa-se que apesar de não gerar trabalho, a existência da potência reativa, cos (φ) < 1, implica um aumento da corrente (e conseqüentemente das perdas) para o transporte de uma mesma quantidade de potência.

Linhas - perdas

O processo de transporte de energia elétrica apresenta perdas de diversas naturezas: por efeito Joule (calor) nos condutores e nos enrolamentos dos equipamentos, perdas devido à histerese dos transformadores e reatores e perdas por corrente de fuga nos isoladores.

A redução das perdas nos transformadores está ligada à qualidade das chapas de aço-silício dos núcleos desses equipamentos e do nível de saturação usado no projeto.

Linhas - perdas

As perdas Joule, que constituem a maior quantidade da energia perdida nos sistemas de transporte de energia elétrica, podem ser calculadas por:

Perdas trifásicas = 3 * (ρ * l / S) * I 2

Onde:

ρ é a resistividade do material, em geral o alumínio, cobre ou ligas de alumínio;

l é o comprimento do trecho em análise;

S é a seção condutora do condutor e

I é a a corrente de linha do sistema.

Linhas - perdas

O projeto econômico de qualquer rede elétrica passa pela definição do nível da tensão e, conseqüentemente, da corrente mais adequada, na escolha da seção condutora dos cabos (bitola) de modo a minimizar os custos dos investimentos e os custos das perdas.

Maiores níveis de tensão e maiores bitolas aumentam os investimentos, porém reduzem as perdas Joule.

Caracterização dos sistemas de transmissão de energia elétrica.

De uma forma geral, podem-se caracterizar os sistemas de transmissão por:

Altos níveis de tensão (acima de 69kV).

Manejo de grandes blocos de energia.

Distâncias de transporte razoáveis (normalmente acima de l00 km no caso do Brasil).

Sistema com várias malhas, interligando blocos de geração (usinas) a regiões de consumo de grande porte (carga agregada) nos finais ou em pontos bem determinados das linhas.

Caracterização dos sistemas de transmissão de energia elétrica.

Os sistemas de distribuição , por sua vez, apresentam:

Baixos níveis de tensão (abaixo de 34,5kV).

Manejo de menores blocos de energia.

Menores distâncias de transporte.

Sistema predominantemente radial em condições normais, podendo haver malhas para atendimento em emergência em que cada ramal alimenta um grande número de cargas.

Sistemas CA e CC

As vantagens da rede CA são: a facilidade de interconexão através de subestações de interligação ou chaveamento ou de subestações de transformação e a simplicidade dessas subestações.

Entretanto, linhas de transmissão de corrente contínua são mais baratas que as de corrente alternada para o mesmo nível de potência. Por essa razão, sistemas em CC podem ser competitivos para transporte a longas distâncias, por exemplo acima de 700 ou 800 km.

Para cada nível de potência, há uma distância em que redes de CC transportam energia de modo mais econômico do que redes CA.

São desvantagens dos sistemas em CC a sua menor flexibilidade de interligação e a maior complexidade e custo das subestações conversoras.

Sistemas CA e CC

Redes interligadas

A operação interligada traz grandes vantagens ao dimensionamento de sistemas de transmissão: permite o uso mais otimizado das fontes de geração, com redução do custo; aumenta a flexibilidade operativa e a confiabilidade do sistema; e reduz o porte de dimensionamento do sistema.

Por essa razão, os sistemas de transmissão começaram a se interligar, e hoje são poucas as regiões desenvolvidas que não fazem parte de sistemas regionais nacionais.

No Brasil há dois grandes sistemas interligados: um na região N-NE e outro nas regiões S-SE-CO. Esses dois sistemas estão interligados através de uma linha em CA de 500 kV, chamada interligação Norte-Sul.

Redes interligadas

Do ponto de vista de geração de energia, a operação interligada permite o uso otimizado dos reservatórios das usinas hidrelétricas, o que no caso da região S-SE-CO do Brasil permite um ganho de cerca de 30% no volume da energia garantida (com probabilidade acima de 95%).

A principal desvantagem da interligação de diferentes sistemas é a necessidade de uma operação segura do ponto de vista de estabilidade entre os geradores, ou seja, um distúrbio em um local pode provocar o desligamento de outros geradores em locais mais distantes (efeito cascata) agravando substancialmente o defeito.

Novas tecnologias

Para permitir uma maior flexibilidade de adaptação e viabilizar um maior aproveitamento dos sistemas existentes, diversos equipamentos e tecnologias têm sido desenvolvidos:

Uso de Linhas de Potência Natural Elevada - LPNE; e

Uso de equipamentos que permitem a flexibilização dos sistemas existentes — FACTS ( Flexible AC Transmission-Systems ).

Transmissão em CA

O surgimento dos transformadores de potência em CA tornou possível a transmissão de energia em tensões bem mais elevadas do que as de geração, possibilitando o transporte a distâncias cada vez maiores e com menores custos de transmissão.

Os principais equipamentos existentes nas subestações em corrente alternada além das estruturas e dos barramentos são os transformadores, os reatores, os bancos capacitores, os disjuntores, as chaves seccionadoras, os pára-raios e os transformadores de potencial e de corrente.

Transmissão em CA

A grande vantagem dos sistemas em corrente alternada em relação aos de corrente contínua é no que se refere à facilidade de interconexões, pois as subestações de CA são bem mais simples do que as subestações inversoras do sistema em CC.

As máquinas em CA, tanto geradoras como motoras, são equipamentos bem mais simples do que as correspondentes em CC, especialmente as trifásicas de grande porte.

Transmissão em CC

As vantagens da transmissão em CC são:

Linhas de transmissão mais simples;

Possibilidade de corrente de retorno por terra ou por mar;

Operação assíncrona de sistemas;

Comprimento de linhas não limitado por razões de estabilidade;

Possibilidade de interligar sistemas com freqüências diferentes; e

Fácil controle de potência entre áreas ou sistemas;

As linhas não necessitam de compensação reativa (cos φ = 1).

Transmissão em CC

As desvantagens mais marcantes da transmissão em CC são:

Os custos dos conversores;

Alto consumo de potência reativa no processo de retificação ou inversão;

Geração de distorções harmônicas e, portanto, necessidade de filtros;

Necessidade de disjuntores de CC bem como de equipamentos mais complexos do que os correspondentes em CA para a transmissão entre mais de dois terminais; e

Alimentação de cargas mais complexa ao longo das rotas de transmissão em CC.

Transmissão em CC

Os aspectos anteriores, positivos ou negativos, de ambos os tipos de transmissão, direcionam as aplicações da corrente contínua principalmente para:

A) Interconectar sistemas que têm freqüências diferentes entre si ou interligar redes com mesma freqüência para as quais se deseje ou necessite de operação assíncrona.

B) Transmissão de potência a distâncias longas ou muito longas por meio de linhas aéreas.

C) Transmissão por cabos subterrâneos ou subaquáticos.

D) Controle do fluxo de potência (intercâmbio) em interligações regionais (entre sistemas distintos, entre concessionárias etc.), com o conseqüente controle das freqüências correspondentes.

E) Combinações das aplicações anteriores num mesmo projeto.

Impactos sócio ambientais

Os primeiros problemas gerados pela implementação de linhas de transmissão começam com a sua construção e são:

Desobstrução da faixa e desmatamento para início das obras;

Escavações para as fundações;

Montagem das estruturas (movimentação local);

Implantação de um canteiro de obras; e

Abertura de estradas de acesso.

Todas essas atividades influem na vida da população local que nem sempre é beneficiada pela energia transportada.

O traçado da linha visa ao caminho mais curto e não respeita necessariamente populações e meio ambiente. Outro fator importante no contexto da preservação ambiental é a construção de acessos para as obras e as manutenções constantes das linhas.

Referências

Elgerd, O. Introdução à teoria de sistemas de energia elétrica . Editora McGraw-Hill do Brasil. 1976.

Naturesa, J. A Influência de Compensadores Estáticos de Reativos na Estabilidade de Tensão de Sistemas de Energia Elétrica . Dissertação de Mestrado. Unicamp. 2001.