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E A Ss as fi — O, | a] ny Ú | o 7) a ge, + « 22911744 444434934293I9IIII)ITTTTIIIIAIA Introdução aos Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica AASSsbbtibtttttttttttttititttiiãs Art. 104 — Quem vend A Lei de Direito Autoral (Lei nº 9.610 de 19/2/98) no Título VIl, Capítulo II diz: qualquer ensão dos exemplares ré idos ou à Art 103 Quem editar obra literária, artística ou científica sem autorização do titular perderá para este os exemplares que se aprenderem e pagar-lhe-á o preço dos que tiver vendido. Parágrafo único. Não se conhecendo o número de exemplares que constituem a edição fraudulenta, pagará o transgressor o valor de três mil exemplares, além dos apreendidos. 1, expuser à venda, ocultar, adquirir, distribuir, tiver em depósito ou utilizar obra ou fonograma reproduzidos com fraude, com a finalidade de vender, obter ganho, vantagem, proveito, lucro direto ou indireto, para si ou para outrem, será solidariamente responsável com o contrafator, nos termos dos artigos precedentes, respondendo como contrafatores o importador e o distribuidor em caso de reprodução no exterior. EDITORA EDGARD BLÚCHE! NELSON KAGAN Professor Associado Escola Politécnica da Universidade de São Paulo CARLOS CÉSAR BARIONI DE OLIVEIRA Professor Doutor Escola Politécnica da Universidade de São Paulo ERNESTO JOÃO ROBBA Professor Titular Escola Politécnica da Universidade de São Paulo INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO - DE ENERGIA ELÉTRICA | > Ea < Ii Ex DP, Er —+O+ A TO IR sea íB - Pt pl BIBLIOTECA - UESPI | om Dm? idolá Introdução aos Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica | ou necessidade do leitor, sem a obrigatoriedade de seguir a ordem em que fo anizados, embora exista nua sequência lógica em sua composição. ram org al di indo os sistemas de geração, transmissão e vismente, neste últno. São apresenta: »s de configurações ou arranjos e formas ntamos uma visã de tivas « translormadores de são, subestações, redes primárias, árias O segundo capítulo trata “a classificação da carga e dos sded )s e as definições de demanda, diversidade manda, de utilização, de carga e de perdas. Também eitos básicos de tarifação da energia elétrica, sem típi resentação nos estudos das redi ção. São apresentados os € os utilizados para sua da carga, fatores de é são apresentados ec no entanto abordar este tema de forma mais detalhada, que foge ao escopo deste livro. No terceiro capítulo tratamos do estabelecimento da corrente admis- sível dos condutores utilizados em linhas de distribuição. Apresentamos os conceitos e o equacionamento térmico para a obtenção da corrente admissível em regime permanente, ou seja, para condição normal de ope- ração, e em regime de curta duração, ou seja, quando da ocorrência de um curto-circuito na rede. Para a corrente admissível em regime permanente, são considerados os cabos nus. muito utilizados em redes aéreas, os cabos protegidos, que vêm sendo cada vez mais utilizados em áreas urbanas, e 05 cabos isolados, utilizados principalmente em redes subterrâneas. O quarto capítulo é dedica álculo de parâmetros elétricos de linhas aéreas e subterrâneas. Apresentamos o cálculo das chama constantes quilométricas, impedância série e capacitâncias em derivação, em termos de componentes de fase e de componentes simétricas, para as linhas aéreas, com a utilização do método das imagens, e para linhas que utilizam cabos isolados. Neste caso o cálculo torna-se mais complexo, e são considerados separadamente no cálculo a parte interna dos cabos e o meio externo onde estão instalados. Os transformadores de distribuição são otjeto do quinto capítulo. Inicialmente, relembramos de forma sucinta o princípio de funcionamento e a determinação do circuito equivalente para um transformador monof sico. Em seguida analisamos os transformadores trif: ao cálculo de desequilíbrios de tensão e de corrente para transformadores nas ligações em triângulo e em estrela. Consideramos aqui que o leitor já conhece a análise dos vários tipos de ligação de transformadores trifási- cos, com o cálculo de correntes e tensões de fase e de linha, para sistemas equilibrados ou desequilibrados. pois o assunto já foi amplamente abordado em várias outras publicações. Finalmente, abordamos com maior grau de profundidade o problema do carregamento admissível de transformadores, »s O equacionamento térmico de transformadores resfriados a ólea, e o cálculo da perda de vida e da vida útil estimada em função da curva de carga diária. icos, com enfoque o estudo de fluxo de potência da rede. gem da carga e da rede, Para a represen- No sexto capítulo enfoca! Iniciamos o capítulo pela mod Introdução aos Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica taç tensão, através dos modelos de potência, corrente é » da carga no sist na, analisamos seu compor tame nto em funição ala iupedáncia coma tensão, Analisamos famnbém a di tribuição da carga na concentrada e uniformemente distribuída, à representação da carga por sata demanda máxima e pela utilização de curvas de carga típicas. Apresentane os modelos de linha curta (impedância série), linha média Gr nominal) « tinha longa (7 nte), e o cálculo da queda de tensão em um trecho a rodlelo utilizado par: seguida, detalhamos as formulações pa quival de, em função do 1 1 a representação da carga. Em »s estudos de fluxo de pot redes trifásicas simétricas com ncia pes radiais, considerando os casos cargas equilibradas e sua extensão para r tes assimétricas com cargas de sequilibradtas. Finalmente, apresentamos os métodos para estudo de uso de potência ent redes que operam em malha, coma representação matrici: ton-Raphison, a rede e os métodos de Gauss e Os estudos de curto- duzâmos o assunto ana «cuito são 0 objeto do sétimo capítulo, Intro ando a natureza da corrente de curto-circuito e as suas componentes transitórias e de regime permanente. Apresentamos em seguida o equacionamento para a obtenção das correntes, tensões e potências nos estudos de curto-circuito trifásico, fase-terra, dupla-iase e dupla-fase à terra, Nos defeitos envolvendo a terra, são considerados os defeitos francos eos com impedância de defeito. Apresentamos ainda uma análise da relação entre as correntes de curto-circuito e dos fatores de sobretensão em função das impedâncias de seqãê a nula e direta, detinindo os sistemas aterrados eisolados. Finalizamos o capítulo estendendo as formulações dos estudos de curto-circuito para redes em malha, com a representação matricial da rede para o cálculo das impedâncias equivalentes de Thêvenin. No oitavo e último capítulo, tratamos do tema da qualidade do serviço, basicamente entendida como a continuidade do fornecimento de energia elétrica. Iniciamos com uma introdução sobre a qualidade de energia elétrica, apresentando os conceitos básicos de qualidade do serviço e de qualidade do produto. Em seguida, apresentamos os principais indicadores utilizados para a avaliação da continuidade de fornecimento. como DEC, PEC, END, DIC, FIC. Na sequência, mostramos a metodologia utilizada pela ANEEL para o estabelecimento de metas de qualidade de serviço a serem obtidas pelas empresas distribuidoras. Finalmente, apresentamos uma metodologia para avaliação da continuidade de fornecimento a priori, ou seja, um método de simulação para se obter estimativi s dos indicadore Os autores novembro de 2004 São Paul tádsdhbitttttttttttttitititriasss + viii dução aos Sistemas de Distribuição 11 23 CONTEÚDO Introdh Sistem e geração Sistema de transmis: Sistema de distribui 14.1 Sistema de subtransmissão Subestações de distribuição Sistemas de dist 14.31 Cor 1.4.3.2 Redes aéreas - Primário radial 14.33 Primário seletivo primária s gerais, 14.34 Redes subterrâneas - Primário operand - Spot network 143,5 144 Estaç 14.5 Redes de distri 1 Introduç s secundárias aéreas Redes subterrán es transformadoras uição secun 1.4.5.3 Rede reticulada Fatores típicos da carga. 21 ssificação das cargas 1 Introdução calizaç » de utilizaç 21.4. Dependência da energia el 2.1.5 Efeito da carga sobre o sistema de di Tarifaça 217 Tensão d inent ves típicos utilizados em distribuição 2.1 Demanda 2 Demanda 1 t:3. Diversidade da car 22.4 Fator de demai 2.2.5 Fator de Futore Fator de perdas. Correlação entre fator de carga o fatos Curva de duração de « Conceitos gerais de tarifação Constituição dos sistemas elétricos de potê; ncia em malha aberta 3. Fluxo de potência em redes ras! Cálculo do 1) Cálculo do fuxo de potênc Cáteulo do fluxo de potência em r fluxo de potência e ML Considerações gerais 6.46.2.2 Solução do sistema de € 2.3 Solução do sistema de eq 6.6.2.4 Solução do sistema de « Curto circuito lução e natureza da corrente de curt iálise das componentes transitórias e de 722 Companente de regime permanente 2.3 Componente unidirecional Estudo de curto circuito trifá: 731 Cálculo é rência de curto eirenit 7:23 Barramento infinito e paralelo das potências de 7 tudo do curto cireuito fase terra. 74.) Cálculo de correntes e tensões 4 o circuito fase à Potência de cu ( ra com impe to circuito fase à ter tudo dos curtos circuitos dupla fase e d ja corrente de curto circuito úásicas simétricas e « radas las na rede complexa. 193 assimétricas com carga desequilibrad: 204 ha 207 109 9 s pelo método de Gauss 209 por triangularização da matriz 210 s pelo método de Newton-Rapl: 216 ireuito permanente urto circuito dância ra npla fase à terra E Curia eirenito dupla fasc Cimo cirenito dupla fase à terra ' uito dupla fase à terra com in) 1 lesistemas aterrados e isol leraçõe le defeito fase à terra ' lise he defeito dupla era ua 1 aterrados e isulados oe atrial da rede buição de Er xiii 0) Qualidade do serviço. ) 81 Introdução - Uma visão de qualidade de energia 8.2 Continuidade de fornecimento ) ] 8.21 Aval da continuidade de fornecimento & posteri / : / 8.2.2 Avaliação da continuidade de fornecimento a prior ) ç Anexo I - Matrizes de rede. ALI Considerações 41.2. Matriz de nitâncias nc AL2,1 Definição AL2.2 Mon AL3.1 Definição 413.2 Montagem da matri Correlação entre tensões e cer Solução de sistemas de AL5.1 Introdução, AL5.2 Retro-substituição. AL5.3 Triangularização da m 5.4 Correção do termo conh ncias no ntes nunta rede naçõe após a triangulariz ção da matriz, Anexo II - Ordenação da Rede no Método de Newton Raphson AILI | Método de ordenação do Jacobiano CONSTITUIÇÃO DOS SISTEMAS ELETRICOS DE POTÊNCIA 1.1 INTRODUÇÃO Os sistemas elétricos de potência têm a fun ípua de fornecer energia elétrica aos usuários, grandes ou pequenos, com a qualidade ade- quada, no instante em que for solicitada. Isto é, o sistema tem as funções de produtor, transformando a energia de alguma natureza, por exemplo hidráulica, mecânica, térmica ou outra, em energia elétrica, e de distribuido: fornecendo aos consumidores a quantidade de energia demandada, instante instante, Em não sendo possível seu armazenamento, o sistema deve contar, como será analisado a seguir, com capacidade de produção e transporte que atenda ao suprimento, num dado intervalo de tempo, da energia consumida xima solicitação instantânea de potência ativa. Deve-se, pois, dispor de sistemas de controle da produção de modo que a cada instante seja pro: zida a energia necessária a atender à demanda e às perdas na produção e no ransporte. Identificar-s em tudo quanto se segue, os blocos de produção de energia por sua designação corrente de “blocos de q a impropriedade do termo, de vez que, não há gera: te cam s hidroelétricas, e estando os centros de produção, de mod ns dos centros de consumo, é imprescindível a existência de um elemento de interligação entre ambos que esteja apto à transportar a energia demandada, Sendo o montante das potências em jogo relevante es distância em percorridas de certa monta, torna-se inexequível o transporte dessa energia na tensão de geração. Assim, no diagrama dl da fit. 1, suced; Tevada d TENSO do OIISTISSAr o o de elevação da tensão, no ( valor com o qual-ror gerada parade transpor O valor dessa tensão é estabelecido em função da distã e do montante de energia a ser transportado ia a ser percorrida Por outro lado, em se chegando aos centros de consumo, face à grande diversidade no montante de potência demandada pelos vários consumidores, variável desde a ordem de grandeza de centenas de MW até centenas de W, é inviável o suprimento de todos os usuários na tensão de transmissão. AssiLtitttttttttititttititosssdda +h44 , 4 — Constituição dos Sistemas Elétricos de Potência * Fonte de wsrwitaipu gov.br 1.2 SISTEMA DE GERAÇÃO Ole se enengir elétrica, a partir da conversão de na outra forma du metia nuáquinas elétricas rorativas, geradores síneronos on rermidóress, tais quais o conjugado mecânica é obtido através de um processo ui, geraltente, utiliza turbinas Hidráulicas ou à vapor. No caso de aprovei- mento hictrántica o potencial disponivel é definido pela qued: 1, altura e queda e vazão, podendo ter-se usinas desde algunas dezenas de MW até milhares de MW Assim, a título de exemplo Henry Borden, ta Serra do Mar, em Paulo, conta com potência da de SG4 MN, ao passo que a Usina instalada de 12.600 MW. Parontia. onversão de calor em Itaipu conta com se baseiam na apo prodizido numa caldeira, pela queima do e que for conjugado 1 e, dentre outros, do óleo combustível nicas, como é 0 caso da és alternador, Como combustível c carvão, bagaço de cana, ou madeira. Nas centrais atôn Usina de Angra dos Reis, o calor para a produção do vapor é obtido atra da fissão nuclear. As usinas. hidráulicas apresentam um tempo de construção bastante longo, com custo de investimento elevado, porém, seu custo operacional é extremamente baixo, Para melhor visualização do vulto das obras necessár cita-se, a título de exemplo, a usina de Itaipu! que dispõe de 18 unidades geradoras, 9 operando em 60 Hz e 9 em 50 Hz, com tensão nominal de 18 kV — 10%), potência nominal 823,6 MVA, para as unidades em 50 Hi 787,0 MVA, para as em 60 Hz, tendo cada unidade peso total de Hz) e 3.242 t (60H2). Apresenta bacia hidrográfica com área de drenagem de 820.000 km?, reservatório com área de 1.350 km”, extensão de 170 km, cota máxima de 220 m e volume de água de 29 x 10*mº. Suas barragens principais elaterais, que são construídas em concreto, terra e enrocamento, apresentam um comprimento total de 7.760 m, altura máxima de 196 m e exigiram, em sua construção, volumes de 8.100 mê de cor x 10? mº de terra e en- Tab, 1.1 - Tensões usuais em sistemas de potência k [ 0,220/0, 127 om Distribuição | [1 0.380/0,220 0,230/0.115 secundária (8) | 138 no Distribuição. 345 25 primária (MT) Distribuição Em y — go Subtransmissão 620 s80 a [ 1380 [ o 1380 | | E sms emissão remenão |] 500,0 ed 1,2 Sistema de Geração racamento, Seu vertedonro apresenta kargura total de 390 1, comprimento total da calha mais a crista de 483 m, contando cont HH comport 20 x 213354 1º e com capacidade máxima de descarga de 62:200 1m n um de 142 me di nominal de 690 m/s. À ulos têm comprim metro de 10,5 1) qu operação das primei ras duas unidades geradoras deu-se em T9S4, E Comp] toú-se a entrada em operação das dezoito unidades em 1991 Farsa emastsiada Cpmicas ap onstrução e custo investi mente menores, apresentando, no entanto, custo racional a dla combustivel. primeiras situam-se, 8 cumente, onde haja disponibilidade d: àgua com desnível que permitia construção, através do barrages ns, do reserva tório, exigindo, em g ansmissão. Destaca a construção de ainda como inconveniente o alagam le terrenos a »gião. As térmicas, por sua vez, também necessitam de água, para a condensação do vapor, po- rém, em ordem de grandeza menor que a consumida pelas hidráulicas, o que permite maior grau de liberdade em sua localização, podendo situar-se em maior proximidade dos centros de consumo. Tal fato se traduz pela redução de investimentos no sistema de transmissão. Apresentam como inconveniente a emissão, na natureza, de poluentes, resíduos da combustão, e, conforme seu tipo, a utilização de combustível não renovável. De modo geral, sempre que haja disponibilidade de energia hidráulica a opção de maior economicidade éa das usinas hidrelétricas. Atualime ão de unidades geradoras de até nto de áreas férteis, perda produtivos, e possíveis modificações no clima ão ganhando espaço as quebinas a gás, que já permite: 500 MN. Quito aspecto assa Lo é, O vapor Pamento at AO a vapor que prod eletricidade, e sua des atura mais baixa, para aplicações industriai ã produção de o Este tipo de aplicação aumenta muito o ção em grandes » para, através de E: a elétrica que ne ascogeração em O Brasil, que dispoe de u Gac imundo: conta, basicamente, com quatro grandes * Bacia Amazônica; * Bacia do São Francisco; * Bacia do Tocantins; * Bacia do Paraná das quais a última, por sua maior proximidade com os E apsiIno, é a mais explorada, AT: Ta praticamento MexE tada, o que é justificado por-seu afastamento dos « le const exigiriaa construção-de sistema de transmissão sobremado caro. Além diss em se-tratando de > sensiveln alagamento de onormes áreas TAZ e plano, seria necessário o 1— Constituição dos Sistemas Elétricos de Potência 1.3 SISTEMA DE TRANSMISSÃO O sistema de transmissão, que tem por função precipua o transporte da energia Elétrica dos centros de produção aos de consumo, deve operar interligado. Aelinteligação é exigida por várias razões, dentre elas destacando-se a con- abilidade e a possibilidade de intercâmbio entre áreas. A título de exemplo destaca-se a existência de ciclos hidrológicos diferentes entre as regiões de São Paulo, onde o período das chuvas corresponde ao verão, e do Paraná onde tal período concentra-se no inverno. Deste modo a operação interligada “lo sistema permite que, nos meses de verão São Paulo exporte energia para araná, e que no inverno importe energia do Paraná. O esgotamento das reservas hídricas, próximas aos centros de consumo, impôs que fosse iniciada a exploração de fontes mais afastadas, exigindo o desenvolvimento de sistemas de transmissão de grande porte, envolvendo o transporte de grandes montantes de energia a grandes distâncias. Este fato exigiu que as tensões de transmissão fossem aumentadas, com grande esforço de desenvolvimento tecnológico. Atualmente, no mundo, há linhas operando em tensões próximas a 1.000 kV. Outra área que ganhou grande impulso é 
