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Universidade Federal do Ceará Centro de Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica
GTD – Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica
2009
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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(*) 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 Profa Ruth P.S. Leão
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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.
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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). Profa Ruth P.S. Leão
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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
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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.
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War of Currents (http://en.wikipedia.org/wiki/War_of_Currents) Profa Ruth P.S. Leão
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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 Profa Ruth P.S. Leão
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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). Profa Ruth P.S. Leão
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- 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). Profa Ruth P.S. Leão
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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
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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 Profa Ruth P.S. Leão
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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 Profa Ruth P.S. Leão
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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.
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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.
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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;
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− 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.
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Classificação: Acima de 765 kV 230kV
