2 SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA

“Ninguém é tão grande que não possa

aprender, nem tão pequeno que não

possa ensinar”.

Ésopo (620-560 a.C.), escritor grego

2.1 - A Energia Elétrica

Na Europa, de meados do século XVIII, com o surgimento da indústria mecânica e a invenção da Máquina a Vapor, a introdução de maquinário em substituição à fabricação artezanal multiplicou o rendimento do trabalho e aumentou a capacidade de produção. Foi o nascimento da Revolução Industrial, com a aplicação da força motriz às máquinas fabris. A mecanização se difundiu na indústria têxtil e na mineração, as fábricas passaram a produzir em série e surgiu a indústria pesada. A invenção dos teares mecânicos, navios e locomotivas a vapor acelerou a circulação das mercadorias e contribuiu imensamente para o desenvolvimento do comércio por todo o mundo.

A partir da metade do século XIX, a necessidade por novas tecnologias se tornou uma demanda crescente. Com isso, o modelo industrial do século XVIII sofreu diversas mudanças e aprimoramentos. Particularmente, a partir de 1860-1870, uma nova onda tecnológica surge, dando origem a uma fase denominada Segunda Revolução Industrial (SOUSA, 2009).

Esta segunda fase é marcada por três acontecimentos importantes:

• Desenvolvimento do aço (1856)

• Utilização da eletricidade e petróleo como forma de energia (1873)

• Invenção do motor à combustão interna (1873) por Daimler.

O petróleo, que antes somente era usado para iluminação, foi substituído pela lâmpada incandescente, inventada por Thomas Edison, em 1879, e passou a ter uma nova utilidade com a invenção do motor à combustão. Os novos motores e as máquinas elétricas, menores e mais eficientes, permitiram o desenvolvimento e distribuição de um grande número de inovações tecnológicas, a partir do nascimento de uma série de indústrias que utilizavam aço, plásticos e a energia elétrica como insumo básico. Especialmente, a indústria de utilidades domésticas, juntamente com o automóvel, constituem os maiores símbolos da sociedade moderna, e moldaram o mundo como o conhecemos atualmente¹.

Assim, pode-se afirmar que a energia elétrica está para a segunda revolução industrial assim como a máquina a vapor esteve para a primeira, pois, ao lado do petróleo, permitiu estabelecer um ritmo de produção mais acelerado, e ambos são considerados os responsáveis pelo grande salto no desenvolvimento da humanidade. O nível de consumo de energia elétrica de um país é comumente utilizado como indicador de desenvolvimento econômico, humano e social.

¹ Desde que Thomas Edison patenteou o sistema de distribuição de energia elétrica, em 1882, iluminando a parte sul da ilha de Manhattan com um sistema em 110 V DC , a eletricidade tornou-se a forma de energia mais utilizada.

2.2 - SEP: O Sistema Elétrico de Potência

No Brasil, a primeira cidade a receber eletrificação foi Campos dos Goytacazes, interior do Rio de Janeiro, em 1883, embora a iluminação elétrica já existisse isoladamente em alguns locais (ESCELSA EDP, 2011). Rio Claro (SP) foi a segunda cidade a contar com forncedimento de eletricidade, em 1884; Porto Alegre (RS), em 1887; e Juiz de Fora (MG) foi eletrificada em 1889, mesmo ano que a cidade de São Paulo² (GOEKING, 2010). Desde o início até os dias de hoje, o uso de eletricidade e o tamanho dos sistemas de fornecimento só aumentaram.

A energia elétrica é produzida a partir da conversão de outras formas de energia (cinética ou mecânica, potencial, química, atômica, térmica, magnética etc). Independentemente de como foi gerada, a energia elétrica passa, em seguida, por uma transformação, elevando sua Tensão Elétrica, para permitir a transmissão aos centros de consumo de forma econômica. Próximo às cidades, faz-se uma nova transformação, desta vez abaixando a tensão, para distribuição. Entregue às unidades consumidoras, a energia elétrica está pronta para utilização.

A Tabela 2.1 mostra a classificação dos níveis de tensão, e na Figura 2.1 está ilustrada, de forma esquemática, as subdivisões do SEP, com as fases de Geração, Transmissão, Distribuição e Utilização da energia, em cada nível de tensão.

Tabela 2.1: Classificação do Sistema Elétrico quanto aos Níveis de Tensão

A transmissão da energia gerada até os locais de consumo é sujeita a perdas de potência PP por aquecimento nos condutores do circuito (o efeito Joule), função da corrente I que os percorrem e da resistência elétrica R que apresentam (Equação (2.1)). É, principalmente, por causa do efeito Joule, que é necessário elevar a tensão da energia elétrica para poder transportá-la em longas distâncias. A maior tensão permite que a corrente seja menor (para uma mesma potência) e, assim, menos energia é desperdiçada. Além disso, a menor corrente permite o uso de cabos de menor área de seção transversal e peso, economizando em material condutor e estruturas de sustentação.

O Sistema Elétrico de Potência (SEP) é comumente dividido em Sistema de Geração, de Transmissão e de Distribuição e, no Brasil, a partir de 2005, cada divisão passou a ser de responsabilidade de uma empresa específica. Atualmente, o SEP brasileiro, também chamado de Sistema Interligado Nacional (SIN), consiste de uma grande rede com mais de 175 usinas, centenas de subestações de Extra-Alta Tensão, muitos milhares de km de linhas, levando pacotes de energia a extensos parques industriais e a subestações de Alta Tensão e, dessas, saem milhões de km de redes e alimentadores conectados a milhões de casas.

Particularmente, a CEMIG Geração & Transmissão (CEMIG-GT) possui 4.912 km de Linhas, 6.964 MW de potência instalada em 67 usinas, e cerca de 40 subestações. Na distribuição, uma concessionária de porte como a CEMIG Distribuição (CEMIG-D) compreende uma rede de quase 450.000 km composta por mais de 1.600 alimentadores, com uma média de cerca de 4.500 consumidores (pontos de conexão) por alimentador, 16.914 km de Linhas e mais de 370 subestações³.

Figura 2.1: Esquemático do fluxo de energia elétrica nas subdivisões do sistema elétrico. Fonte: Adaptado de Marques (2009)

² A Empresa Paulista de Eletricidade, responsável pelos poucos pontos de iluminação pública então existentes na capital paulista, foi organizada em 1886, mas iniciou suas atividades apenas em 1889. Isto porque a população ainda temia que as lâmpadas pudessem trazer problemas à saúde, e a empresa teve de enfrentar uma espécie de embate ideológico para conseguir implantar o serviço (GOEKING, 2010).

³ CEMIG, Relatório “CEMIG em Números”, encarte publicado em 2012

Características do Subsistema de Geração

As principais entidades do sistema de geração são as usinas de energia, com suas máquinas rotativas (turbinas e geradores) acionadas por um fluido em movimento (água ou vapor).

Por questões de aproveitamento energético, os geradores são construídos em grandes tamanhos, e são capazes de converter grandes quantidades de energia, no nível de dezenas a centenas de MVA⁴ . Porém, trabalham com MT (entre 6kV e 15kV), logo as correntes de saída são bastante altas. Gerar energia, em níveis de tensão mais altos, aumentaria em demasia seu tamanho, devido às bobinas gigantescas e à quantidade de isolamento elétrico que seriam necessárias. Para contornar este problema, o mais próximo possível da saída dos geradores, são utilizados transformadores elevadores, esses, por sua vez, conectados ao sistema de transmissão⁵.

O atrito constante entre as partes girantes e as altas temperaturas oriundas das altas correntes elétricas envolvidas (efeito Joule) levam ao desgaste dos componentes e a degradação do isolamento elétrico, além de se configurar em perdas de energia e prejuízos econômicos.

⁴ A potência de 1 MVA, em média, é suficiente para alimentar 3.000 residências

⁵ Não se trata de uma regra, os transformadores podem também pertencer ao sistema de transmissão.

Características do Subsistema de Transmissão

O subsistema de Transmissão trabalha com nível de tensão UAT e EAT. A necessária ação de elevar a tensão da eletricidade que foi produzida pelos geradores é realizada pelos Transformadores Elevadores. Após adequar a tensão, o transporte da energia é feito através de Linhas de Transmissão, constituídas por fios condutores metálicos, unidos por emendas e conectores, e suspensos em torres por meio de isoladores cerâmicos ou de outros materiais isolantes. Na fronteira, para conectar-se ao subsistema de distribuição e suas linhas, é necessário reduzir a tensão da eletricidade transportada, para níveis de AT, utilizando transformadores com função de Rebaixadores.

É nas Subestações de Energia (chamadas somente de Subestações ou SEs), localizadas nos pontos de conexão com geradores, consumidores ou empresas distribuidoras, que se situam, além dos transformadores, equipamentos de seccionamento (chaves) para prover isolamento visível entre seções de circuitos, ou em manobras de manutenção e em situações de contingência; de disjuntores, capazes de interromper ou restabelecer o circuito elétrico em qualquer condição; e equipamentos com função de proteção contra surtos (pára-raios), medição de grandezas (transformadores de corrente e de potencial) e controle de tensão (capacitores e reguladores de tensão).

Todos estes equipamentos são interligados através de condutores, com suas emendas e conectores. Há ainda, na sala de controle, os relés de proteção e painéis de comando, bancos de baterias e respectivos carregadores. Na Figura 2.2 é mostrado um diagrama esquemático de uma SE e seus componentes de pátio.

Figura 2.2: Perfil esquemático de uma SE com seus equipamentos, ver Apêndice E. Fonte: (ABRADEE, 2012)

Características do Subsistema de Distribuição

O sistema de distribuição conecta, elétrica e fisicamente, o sistema de transmissão às unidades consumidoras. Nas subestações de distribuição, o objetivo é abaixar a AT dos grandes blocos de energia que chegam através das linhas de distribuição, para valores médios de tensão – podendo assim aproximar os condutores – e distribuí-los aos pontos de consumo através de uma malha de condutores bastante ramificada, ao longo de ruas e avenidas.

Para tanto, utilizam-se também subestações compostas dos mesmos equipamentos⁶ que o sistema de transmissão. Porém, ao contrário das de transmissão, as SEs de distribuição estão localizadas nos próprios centros urbanos, já que são elas que fornecem a energia para as redes de distribuição.

Das subestações de distribuição saem, em Média Tensão, os chamados Alimentadores, que podem ser entendidos como as subdivisões das redes de distribuição. Os alimentadores são compostos dos condutores, suas emendas e conexões, dos transformadores de distribuição, dos postes e isoladores, de equipamentos de proteção (fusíveis), de manobra (religadores e chaves de manobra) e, em alguns pontos, também existem equipamentos para controle de tensão (capacitores e reguladores).

A parte final do sistema de distribuição constitui-se da chamada Rede Secundária, onde os níveis de tensão foram reduzidos ainda mais – para fins de segurança às pessoas – pelos transformadores de distribuição, e conectados às casas, através de ramais de ligação. Incluem- se, também, os equipamentos de medição de consumo de energia, popularmente conhecidos como “padrão” ou “relógio”.

⁶ Acrescente-se os Religadores, que são uma espécie de Disjuntor integrado ao relé de proteção, utilizado em Média Tensão.