Sistema Elétrico de Potência e Distribuição de Energia

bom na aula de hoje eu vou estar falando então sobre o sistema elétrico de potência tá a gente vai ver ali conceitos básicos do sistema elétrico de potência Eh vamos estar vendo ali como é que se dá essa divisão né no sistema ali em geração transmissão e Distribuição depois eu vou estar mostrando algumas configurações ali para sub citações de distribuição né alguns modos de ligação ali delas e também alguns modos de operação ali pro sistema de distribuição primária né então começando com algumas considerações básicas ã a gente deve dispor então de sistemas de controle de

de produção né de energia de modo que a cada instante seja produzida a energia necessária atender a demanda e as perdas na na produção e no transporte né então a cada instante ali né para não para que não ocorra nenhum problema né de falta de energia ali o sistema ele tem que ser capaz né de de atender a demanda instantânea também e as perdas ali que vão ser inerentes ao processo de produção né que vai ter ali na nas linhas de transmissão e no sistema de distribuição no Brasil devido ao grande potencial hídrico existente então

a gente predomina na produção da de energia elétrica nas usinas hidroelétricas tá ã centros de geração estão afastados dos centros de carga logo é necessário um sistema de transmissão robusto e o mais eficiente possível né então esses essas grandes usinas hidroelétricas ali né normalmente elas vão estar afastadas ali né dos do do centro de consumo né que é no caso as cidades ali então né para para fazer toda esse transporte ali de energia a gente precisa de um sistema eficiente ali né de transmissão que aguente ali o transporte as demandas de pico ali de energia

então essa aqui é a divisão básica né do sistema elétrico de potência onde a gente tem o g aqui a parte de geração a parte de transmissão e subtransmissão aqui Coloquei junto em azul e depois a parte de distribuição então a geração ela ela começa ali na ela pode ser uma uma geração ali com turbina hidráulica Uma Geração térmica ou algum outro tipo né que tu vai transformar em elétrica aí tu vai ter uma subestação elevadora de transmissão que vai elevar a tensão ali do nível de geração pro nível de transmissão né ISO a gente

vai ver depois melhor os os valores exatos aqui né que a gente tem essas tensões aqui para cada caso aí depois dessa substação aqui né a a a gente tem as linhas de transmissão então um sistema de transmissão que transporta a energia do centro de produção ao centro de consumo ã podem existir alguns casos raros ali de de clientes ali que vão tá vão tá consumindo energia aqui nesse nível aqui né de repente alguma alguma grande indústria alguma coisa aí que consuma muita energia né pode já tá hã consumindo energia aqui no nível de transmissão

mas são acho que casos raros tá exceções aqui ã aí depois tu vai ter a substação abaixadora de subtransmissão tá vão chegar as linhas de transmissão aqui na nessa substação e a tensão vai ser rebaixada pro nível de subtransmissão aí aqui sim é mais comum aqui tu ter grandes indústrias né que vão estar consumindo aqui no nível de de subtransmissão e a sub a as linhas de subtransmissão né que saem dessa subestação aqui elas vão alimentar outra subestação que é a substação de distribuição tá é essa aqui sim que vai alimentar ali as cidades ali

né no no no e que vai dar origem ao sistema de distribuição então chegaram as chegam as linhas aqui no no na subestação de distribuição a tensão é reduzida pro nível de de de distribuição primária né e agora sim começa aqui o sistema de distribuição né então ã dessa substação aqui saem os alimentadores de distribuição primária né onde a gente já tem aqui alguns consumidores também que vão estar eh mais consumidores do que nesse caso aqui né para atenção primária e depois os transformadores de distribuição que que são esses que tem na rua né que

são alimentados aqui pelo sistema de distribuição primária e Dão origem ao sistema de distribuição secundária que é o sistema que mais utilizado Ali pela pelas residências né pequenos comércios pequenas indústrias ainda vão tá utilizando esse sistema aqui né aqui então a gente tem um ã um esquema tá do do simplificado de de todo esse sistema aqui que eu falei onde a gente começa aqui pela geração tá onde a gente tem o diagrama aqui é unifilar Tá então cada linha aqui ela tá representando representando um sistema trifásico e a gente pode utilizar diagramas unifilares ali para

representar sistemas ali que sejam equilibrados tá porque o que vale para uma fase vale para as três então o diagrama unifilar ele é bastante utilizado aqui então a gente tem aqui a parte de geração a substação elevadora né pro nível de transmissão ã o sistema de transmissão aqui operando em malha tá por isso que a gente diz ali que o sistema ele é interligado né sistema elétrico de potência brasileiro ele é interligado então ele opera em malha aqui depois a gente tem as aqui os transformadores da da substação de subtransmissão que dão origem aos alimentadores

aqui é o sistema de subtransmissão que opera normalmente de forma radial tá em alguns casos também pode operar em malha Mas normalmente né O que a bibliografia diz aqui é que se opera aqui em em modo Radial né aí depois a gente tem o Transform ador aqui da da da subação Ali de distribuição que vai dar origem então ao sistema de distribuição primária que na maioria dos casos também é um sistema de distribuição Radial né que o sistema de distribuição Radial ele é ã normalmente mais simples né mais barato a proteção né o sistema de

proteção ali que se faz por sistema Radial normalmente ele é mais simples do que para um sistema Ária né onde aqui a complexidade do do sistema de proteção ela aumenta bastante né ã e depois a distribuição secundária aqui a gente tem os três né caso de três transformadores de distribuição aqui Aqui tá um caso mostrando três vertentes aqui para distribuição secundária que pode estar operando em malha ou Radial né aqui tanto faz bom falando Mais especificamente aqui da parte de geração tá então a tensão ela é gerada tipicamente em 13.8 kv Mas a gente pode

encontrar geradores ali desde que trabalham desde geração com 2 kv até aproximadamente 22 kv tá mas esses valores perto ali dos 13 kv são os valores mais comuns ali para tensão de geração né valores acima desses aqui já precisaria de uma tecnologia melhor ali pra isolação né dos condutores ali ã no gerador então por isso que não se utiliza ali uma uma geração ali normalmente maior que 22 kv né Por causa da da isolação né dos condutores o gerador sncr né a máquina mais utilizada né com certeza na geração e pode ser um gerador com

turbina hidráulica ou a vapor né que são os dois casos mais comuns que a gente tem né na US hidroelétrico aqui e por exemplo numa termo elétrica aqui né onde o vapor ali ele é utilizado para eh acionar uma turbina né ã uma turbina ali a vapor existe também o conceito tá que tá eh surgindo bastante agora com força no país que é a geração distribuída tá que é a geração descentralizada onde a gente tem geração ali nas a gente tem as próprias residências al as próprias casas né gerando a sua própria energia né onde

99% dos casos é através da da energia solar né com os painéis ã fotovoltaicos e também e pode existir também a energia eólica né mas o mais utilizado Com certeza né O que tá vindo com força agora é a energia solar né geração distribuída com energia solar aqui embaixo então uma comparação entre a usina a usina térmica e a usina hidroelétrica tá então se a gente comparar essas duas aqui o tempo de construção e o investimento PR a gente fazer uma usina térmica ela é muito menor né aliás é significativamente menor do que o por

uma usina hidroelétrica mas o custo operacional da Usina depois ela se torna maior né então para para construir e para fazer né Essa Usina ali tem o tempo de construção baixo investimento baixo mas depois para manter a usina em funcionamento né o custo operacional dela é maior e a hidroelétrica Então ela tem o tempo de construção e o investimento né na na construção dela são bem maiores mas depois o o custo operacional ele é menor né em comparação com a usina térmica já o sistema de transmissão tá o como é que a gente calcula né

como é que os engenheiros têm uma ideia ali do valor da da magnitude da tensão que eles não temm que usar Então esse valor ele é estabelecido principalmente em função da distância tá a ser percorrida e do montante de energia a ser transportado Porque quanto mais a gente sabe que o nível de tensão né Ele é elevado para reduzir as perdas né Para te transmitir determinada quantidade de energia tu eleva a tensão né a corrente vai diminuir consequentemente E aí as perdas são menores Então se tu tem uma linha ali que é é muito extensa

né uma linha de vários quilômetros ali centenas de quilômetros por exemplo tu precisa de um nível de tensão alta né para ter a menor corrente possível e as menores perdas possíveis ali né na resistência ali dessas linhas o sistema ele opera interligado tá o sistema de transmissão como a gente já viu antes né ele opera em malha interligado e as vantagens disso é a confiabilidade do sistema tá do do suprimento de de energia né Maior continuidade ali né na na produção de energia ã a possibilidade de intercâmbio entre áreas então quando uma região Ela tá

no período de chuvas ela pode exportar energia para uma região no período de seca né quando essa outra região aqui tiver no período de chuvas ela pode exportar para essa aqui né ã pra primeira região aqui que vai estar no no período de seca Então essa questão do intercâmbio de áreas aqui é uma vantagem bem interessante né do sistema interligado já uma desvantagem né Ela é a complexidade do sistema então a complexidade vai aumentar bastante né o esquema de de proteção ali também a complexidade a complexidade dele aumenta né quando a gente opera interligado e

a chance né de de se ocorrer algum problema ali no sistema como ele tá interligado pode acabar atingindo grande parte do sistema ou todo o sistema né O Brasil possui uma linha de corrente contínua em tput porque a gente sabe que Itaipu Metade dos geradores que eles têm Ele eles são pro Paraguai né eles geram em corrente alternada em 50 hz pro Paraguai e como o Paraguai não utiliza né Toda a capacidade deles ali é uma boa parte dessa energia o Brasil compra só que a gente não pode utilizar diretamente a energia deles porque os

geradores deles são para 50 hz então o que que se faz eh Tu compra a energia né deles em 50 hz aqui faz uma retificação né dessa dessa tensão elétrica aqui tem uma linha aqui bem longa aqui de corrente contínua né que vai se eu não me engano de Itaipu até São Paulo e lá é feita a inversão né tu passa por um inversor de frequência aqui e a e a tensão contínua aqui ela vira uma tensão alternada novamente só que para 60 hz né que pode ser utilizada então aqui no no Brasil a linha

de de corrente contínua ela até mais estável tá principalmente para grandes distâncias ela começa a ficar mais competitiva do que a a linha de tensão alternada né principalmente pela questão da estabilidade né e da da recuperação da linha frente a fenômenos transitórios Então como ela se mostra mais estável né do que do que as linhas em corrente alternada em grande distância é uma uma opção de utilização né a linha de corrente contínua bom o sistema de subtransmissão então né esse Elo ele tem a função de captar a energia da subestação de subtransmissão e transferir né

até as linhas as linhas de subtransmissão até ã a substação de distribuição né e a eventuais consumidores também que possam estar comprando energia aqui nesse nível de subtransmissão né usualmente a tensão é de 138 kv ou 69 kv em alguns casos mais raramente pode ser utilizado também esse nível aqui né de 34 kv também é utilizada na na distribuição primária né Mas normalmente a gente tem esses dois níveis aqui os consumidores intenção de subtransmissão são representados H geralmente por grandes instalações industriais ou também estação de tratamento e bombeamento de água bom aqui a gente tem

at alguns casos típicos tá de de configurações de de substação de distribuição qu a gente chega então aqui com as linhas de subtransmissão né perceo que nos quatro casos ah chegam aqui as linhas de subtransmissão elas vão estar alimentando ã aqui os transformadores da subestação de distribuição Então esse primeiro caso aqui da Red um tá é o caso mais simples onde tu tem uma linha aqui um circuito né trifásico aqui chegando ali de da de uma linha de subtransmissão e alimentando um o transformador aqui da da substação né aqui a gente tem duas duas Chaves

né ou dois disjuntores ali que estão ã que são utilizados aqui para proteger esse transformador e também isolar né esse transformador aqui dos circuitos aqui quando for necessário alguma manutenção né ou algum algum reparo aqui no transformador a rede número dois é uma rede um pouco mais confiável porque eu utilizo dois circuitos tá de de transmissão e utilizo esse transformador aqui com duas Chaves Então eu tenho uma chave normalmente aberta aqui que liga esse transformador a esse circuito de baixo aqui e uma chave normalmente fechada que liga esse transformador ao circuito de cima Então se

por algum motivo aqui essa linha precisar passar por uma manutenção ou tiver algum problema eu abro essa chave aqui na NF e depois fecho essa chave na então aí o transformador ele continua sendo alimentado né nesse caso aqui se ocorresse algum problema aqui não teria uma segunda opção né já essa configuração TRS aqui né a a rede aqui o sistema de subtransmissão ele passa em um circuito só aqui passa pela insere aqui com a com as chaves de proteção aqui da da substação e continua né se acontecer algum problema aqui no barramento né de entrada

aqui da subestação então a rede aqui ela seria interrompida a rede de subtransmissão né porque eu teria que abrir essas duas Chaves aqui para consertar o problema ou fazer alguma manutenção aqui no barramento e essa rede aqui ela ficaria desenergizada então se foi pensado em colocar uma chave na aqui em cima né E se ocorrer algum problema aqui nessa nesse barramento aqui né da substação essas essas duas Chaves aqui Elas abrem né e depois essa daqui fecha então a linha de subtransmissão ela continua operando normalmente né Aqui essa rede quatro é uma rede aqui então

também um pouco mais confiável né utilizada também onde a gente tem alta regiões com alta densidade de carga né Ela utiliza dois transformadores e um transformador aqui ligado em cada uma das das linhas de subtransmissão né então se ocorrer aqui de de algum transformador falhar ou de um dos circuitos aqui precisar ser interrompido a gente tem sempre uma segunda opção né um segundo transformador aqui que vai est também sendo utilizado em conjunto né Então essa questão aqui de utilizar dois transformadores né ela pode ser benéfica aqui nessa numa situação assim né então na corrência de

um defeito a manutenção em um dos transformadores a gente pode abrir as chaves a montante aante ajudante do Transform né que seriam essas duas aqui ã para isolar ele e fecha-se a chave entre as barras dos transformadores então eu eu retiro o transformador aqui desse circuito aqui e fecha essa chave assim todas as cargas as cargas que estavam sendo alimentadas aqui por esse transformador aqui elas passam a ser alimentado por esse né quando eu fecho essa chave aqui só que para para mim fazer isso o transformador ele deve ser capaz de suprir a carga né

do outro então esse transformador aqui ele tem que aguentar a carga que ele já tá alimentando E aí mais a carga desse cara aqui né na situação de contingência então por isso que normalmente ali os transformadores eles não são projetados ali para para funcionar né a eh para alimentar uma carga que seja a plena carga nominal dele ele vai estar alimentando geralmente uma carga aqui e em condições de operação em condições de operações normais né a carga que ele vai estar alimentando Vai ser menor do que a capacidade dele para que quando ele tiver que

alimentar uma carga mais né uma situação de contingência ã ele tenha né essa capacidade extra aqui de de reserva ali para alimentar essas outras cargas aqui e também outra técnica que pode ser utilizada né é distribuir se a gente distribuir o circuitos de saída em vários barramentos a gente tem uma maior flexibilidade na transferência de blocos de carga entre os transformadores né então aqui eu tenho uma maior possibilidade né caso eu precise fazer alguma manutenção em algum trecho aqui né eu posso abrir essas chaves aqui né que a gente tem nas na na saída dos

alimentadores e posso estar transferindo blocos de carga aqui através dessas Chaves aqui normalmente abertas né que que nem a gente viu nessa nessa situação anterior então isso daqui é a utilização de de bastante Chaves ali no no sistema de distribuição primária ele ele dá essa maior flexibilidade ali na na transferência de blocos de carga né então o sistema de distribuição primária ele opera normalmente na na configuração Radial com possibilidade de transferência de carga entre circuitos né que nem a gente viu através das das chaves de manobra automáticas que se utiliza bastante hoje e ele opera

normalmente nesses dois níveis de tensão né que são os dois níveis ali ã com com dois valores nominais ali mais utilizados seria 13.8 ou 34 kv né Depende ali da da densidade de carga ali que que esses alimentadores ali vão est alimentando né uma quanto maior a densidade de carga Então seria melhor né mais utilizado para diminuir as perdas se a gente utilizar esse nível de 34 kv enquanto que para regiões ali ã com menor densidade de carga a gente pode utilizar esse nível menor né que seria ã tipicamente ali 13.8 kv então dentre os

consumidores a gente pode destacar indústrias de porte médio conjuntos comerciais né shopping centers instalações de iluminação pública né a gente tem também prédios né às vezes ali ã as normas da concessionária aí elas dizem que a partir de de determinada potência eles tem que receber né a energia ali em distribuição primária então esses são um os casos mais comuns aqui né ã podem ser aéreas ou subterrâneas né sendo que as primeiras de uso mais difundido pelo seu menor custo e as segundas encontrado né as redes subterrâneas encontrando grande aplicação em áreas de maior densidade de

carga por exemplo zona central de uma Metrópole ou onde há restrições paisagísticas né ou também locais ali onde teria onde não teria possibilidade de passar uma rede aérea né Por algum motivo algum outro motivo tem essa opção também né das das redes subterrâneas então aqui a gente tem a o exemplo de uma rede aérea primária tá Radial e a gente tem dois alimentadores dois circuitos aqui do do saindo da mesma sub estação a gente tem disjuntores aqui na saída desse de cada um desses dois circuitos aqui né são dois circuitos trifásicos né representados em diagrama

unifilar éé o circuito um circuito dois a gente tem o alimentador tronco da que é um é um alimentador ali o principal que sai da subestação geralmente ele tem a a sessão do Fio maior né porque ele alimenta todos os os alimentadores aqui que vão né pros pras derivações aqui que a gente chama né então esses mais esses aqui que saem aqui do do alimentador tronco a gente chama de alimentador em derivação né né Normalmente eles são protegidos aqui pelo por Chaves fusíveis tá que é representado por esse símbolo aqui e essas chaves aqui elas

são para intercâmbio da rede também para para rearranjar né fazer uma reconfiguração da rede ali em caso de manutenção ou contingência né então o uso dessas Chaves que a gente tem né dessas normalmente aberta normalmente fechada ela fica mais Evidente ali ã se a gente se a gente supor aqui que ocorreu um defeito então por exemplo entre as chaves um e dois do circuito um então um defeito aqui nessa região aqui né no circuito um aqui a chave um e a chave dois ocorre um defeito aqui ã nesse nesse trecho aqui né ou nesse trecho

aqui desse alimentador aqui né aqui desse alimentador lateral aqui o que que se faz então a gente abre o disjuntor aqui desse circuito n na saída da substação aí depois o segundo passo aqui a gente vai isolar o defeito ou seja vai abrir as duas Chaves que eram normalmente fechad elas vão elas vão ser abertas agora né então a gente sai essa situação número um aqui para essa situação número dois aí a suação número três a gente pode fechar de novo o disjuntor aqui né para alimentar para que outros clientes ali que estejam alimentados aqui

por essa parte aqui do do do circuito aqui não fique desenergizado né se houvesse algum outro circuito lateral aqui por exemplo né caindo dessa parte aqui do alimentador esse cara aqui precisaria est fechado né para alimentar essas partes aqui aí ã depois aqui no Passo número quatro a gente vai ligar a chave número três tá liga essa chave aqui que era uma chave normalmente aberta ela vai ser ligada vai ser fechada Para que essa região aqui né para esse para que toda essa região que é alimentada por esse alimentador em derivação aqui ele não fique

desenergizado Então esse cara aqui ele passa a ser alimentado agora pelo circuito número dois né Então vem daqui e alimenta essa região aqui e o único que a única parte que fica isolada né desenergizada vai ser essa daqui né aí depois que o defeito foi consertado aqui a gente abre essa chave aqui né para voltar nessa condição aqui normalmente aberto e fecha essas duas aqui restabelecendo aqui a situação inicial a gente tinha aqui no começ ISO né o circuito dois então ele poderia ser de outra substação ele não precisava ser necessariamente da mesma né substação

da cidade e deve possuir uma capacidade térmica do né dos condutores ali para absorver a carga Extra então isso aqui só poderia ser feito né eu fechar essa chave aqui se a corrente elétrica que passar aqui né no nesses alimentadores aqui do tronco aa não exceder a capacidade térmica aqui do alimentador né bom então uma outra configuração seria a rede primária seletiva né onde a priorit tem dois alimentadores aqui dois circuitos aqui né com com dois alimentadores trifásicos saindo de uma subestação e vão estar dividindo ali os os vários blocos de carga aqui que a

gente vai ter né ao longo do do caminho então ã cada bloco de carga ele pode ser transferido de um circuito para outro se necessário então ã vão existir Chaves aqui né uma chave normalmente fechada que vai estar ligando esse consumidor aqui ao circuito de cima mas numa situação desse circuito aqui ficar desenergizado por exemplo essa chave ela pode comutar para essa posição E aí o circuito de baixo vai alimentar esse bloco de carga então em condições normais de carga né cada um desses dois circuitos aqui ele deve operar com 50% do alimento térmico do

alimentador para que numa situação de contingência né ã se por exemplo todos os blocos de carga que esse alimentador aqui ele tava alimentando é numa situação de ocorrer um defeito aqui nesse alimentador aqui todas as cargas que que estavam sendo alimentadas por esse possam ser alimentadas pela de baixo né através da comutação aqui dessas Chaves mais uma configuração de rede primária H utilizada ali em Sistemas subterrâneos tá a configuração em malha aberta né Por exemplo a gente tem aqui nesse exemplo duas subestações n um circuito saindo de cada subestação na ocorrência de qualquer defeito a

gente pode isolar o trecho em defeito e depois fechar a chave na para alimentar o restante do sistema Então se por exemplo ocorrer um defeito aqui nesse alimentador lateral aqui eu posso isolar todo esse bloco de carga aqui né Abrir esses dois disjuntores aqui e E aí para para que esses dois esses esses dois circuitos aqui não sejam interrompidos né a alimentação dele porque a alimentação desses desses três caras aqui ela é dada por essa substação a alimentação desses três aqui pela de baixo se eu interromper digamos esse cara aqui e esses dois aqui eles

ficariam desenergizados então se eu fechar essa chave na né primeiro eu abro essas duas aqui depois eu fecho esse essa chave na e ali esses dois circuitos aqui vão estar sendo alimentado agora pela substação de baixo né então é é uma uma outra opção ali né de de de transferência de bloco de carga aqui entre duas subestações aqui mas uma uma configuração que é mais utilizada aqui em redes subterrâneas né bom por último Então a rede secundária e transformador de distribuição tá que que e formma aqui a rede de distribuição secundária normalmente ela tem o

primário em triângulo e o secundário em Estrela com neutro Então como a gente vê né normalmente ali nos postes ali onde tem a a rede de distribuição primária convencional que seria essa daqui tem os três Condutores aqui aí o primário vai ser ligado em Estrela né recebe ali a alimentação desses três Condutores e o secundário do transformador aqui ã Aliás o primário em triângulo né e o secundário vai ser em Estrela com neutro né o neutro Aterrado aqui ã direto aqui no a no poste aqui onde tem o transformador então esses transformadores de distribuição eles

têm valores padronizados tá de potência on a gente pode encontrar 10 15 30 45 75 até 150 kva tá pode ser que existem outros valores além desses aqui né alguns projetos especiais de transformadores mas os valores Normalmente eles são S esses aqui tá são valores padronizados as duas tensões mais utilizadas ali são 127 220 V né tensão de fase e tensão de linha ou a rede 220 de fase e 380 de linha né nesses casos aqui o primário ele é protegido por elos fusíveis tá então se a gente observar ele sempre no no no desses

três Condutores aqui do primário e do transformador a gente tem a proteção né do de do transformador por fusíveis e a rede de distribuição secundária usualmente ela não conta com recurso né para atendimento de contingências e também normalmente não tem uma proteção maior né a proteção é feita aqui hã na rede primária aqui na entrada do transformador bom então nessa aula era isso tá ã futuramente vou estar falando mais ali outras aulas sobre o sistema elétrico de potência e se puder deixar o joinha compartilhar então eu agradeço É isso aí valeu