FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
Professor: Dr. Edwin B. Mitacc Meza
[email protected]
[email protected]/edwin
www.engenharia
E
Ementa
t
Introdução.
Noções sobre geração,
geração transmissão
transmissão, distribuição e
utilização de energia elétrica.
Fundamentos de Corrente Alternada.
Riscos de acidentes e problemas nas instalações
elétricas.
Dispositivos e equipamentos elétricos e eletrônicos
eletrônicos.
Introdução às fontes de suprimento de energia elétrica.
Introdução à iluminação artificial.
Introdução às máquinas elétricas.
Noções sobre Geração, Transmissão,
Distribuição
ç e utilização
ç de energia
g elétrica
Energia Elétrica
¾ 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
d serviços
i
l i
d à energia
i elétrica,
lé i que por sua vez dependem
d
d
d
dos
relacionados
de
como as empresas de eletricidade projetam, operam e mantêm os
sistemas elétricos de potência.
Energia
Elétrica
Qualidade
de Serviço e
do Produto
Fundamentos de Eletricidade
4
Energia Elétrica
¾ A energia elétrica proporciona à sociedade trabalho,
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.
elétrico
¾ Em contrapartida esta dependência dos usuários vem se traduzindo em
exigências por melhor qualidade de serviço e do produto.
¾ A energia elétrica é uma das mais nobres formas de energia secundária. A
sua facilidade de geração, transporte, distribuição e utilização, com as
consequentes transformações em outras formas de energia, atribuem à
eletricidade uma característica de universalização, disseminando o seu uso
pela humanidade.
¾ No
N mundo
d de
d hoje,
h j eletricidade,
l t i id d como alimento
li
t e moradia,
di é um direito
di it
humano fundamental tendo como propósito assegurar a promoção de
condições dignas de vida humana e de seu desenvolvimento.
Fundamentos de Eletricidade
5
Energia Elétrica
¾ Eletricidade
El t i id d
é a dominante
d i
t
f
forma
d
de
energia
i
moderna
d
para
telecomunicações, tecnologia da informação, e produção de bens e
serviços.
¾ Os crescimentos da população mundial e da economia nos países em
desenvolvimento implicam, necessariamente, no aumento do consumo de
g
porém a p
p
produção
ç
de energia
g deve seguir
g
os conceitos de
energia,
desenvolvimento sustentável e de responsabilidade ambiental.
Fundamentos de Eletricidade
6
Geração Global de Energia
¾ No
N mundo,
d cerca de
d 87% de
d toda
t d a energia
i é gerada
d por combustíveis
b tí i
fósseis, dos quais 33,1% provém do petróleo, 27% advém do carvão
mineral, 21,1% do gás natural e 5,8% do urânio. O restante 12,9% provem
renováveis como hidro e biomassa (inclui eólica,
eólica solar e
de fontes renováveis,
geotérmica).
Fundamentos de Eletricidade
7
Consumo Final Energético por Fonte no Brasil
¾ No
observar
que a
N consumo final
fi l energético
éti por fonte
f t no Brasil,
B il pode‐se
d
b
eletricidade representa 17,3% do consumo final ficando atrás apenas do
óleo diesel – 18%, sendo, portanto a segunda forma de energia mais
país
consumida no país.
Fundamentos de Eletricidade
8
Estrutura da Oferta de Energia Elétrica no Brasil
¾ No Brasil,
Brasil dentre as fontes primárias e secundárias de energia a fonte
hidráulica é a que mais contribui para produção de energia elétrica (74,9%)
estando os locais produtores em regiões quase sempre distantes dos
centros consumidores. Com isso são necessárias grandes extensões de
linhas de transmissão e instalações para repartir e distribuir a energia nos
centros de consumo.
Fundamentos de Eletricidade
9
Importante
¾ A eletricidade apresenta uma combinação de atributos que a torna distinta
de outros produtos, como:
Ö dificuldade de armazenamento em termos econômicos;
Ö variações
i õ em tempo
t
reall na demanda,
d
d e na produção
d ã em caso de
d fontes
f t
renováveis;
Ö falhas randômicas em tempo real na geração, transmissão e distribuição;
e
Ö necessidade de atender as restrições físicas para operação confiável e
segura da rede elétrica.
¾ 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
l
seja determinado
d
d pelo
l nívell máximo de
d energia demandada,
d
d d
resultando em ociosidade dessas instalações durante o período de menor
demanda.
Fundamentos de Eletricidade
10
Importante
¾ O atendimento dos aspectos de simultaneidade de produção e consumo,
consumo
exigem 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.
¾ Estes sistemas deverão estar apoiados por uma estrutura de instalações e
equipamentos que, além
l
d representar importantes investimentos, exigem
de
ações permanentes de planejamento, operação e manutenção, e estão como
qualquer produto tecnológico sujeito à falhas.
¾ Os sistemas elétricos são tipicamente divididos em segmentos como:
geração, transmissão, distribuição, utilização e comercialização.
Fundamentos de Eletricidade
11
Importante
¾ A oferta da energia elétrica aos seus usuários é realizada através da
prestação de serviço público concedido para exploração à entidade privada
ou governamental.
¾ As empresas que prestam serviço público de energia elétrica o fazem por
meio da concessão ou permissão concedidos pelo poder público.
Fundamentos de Eletricidade
12
Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro
¾ 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.
distribuição,
comercialização
¾ No Brasil, este processo de re‐estruturação foi desencadeado com a criação
de um novo marco regulatório, a desestatização das empresas do setor
elétrico,
l
e a abertura
b
d mercado
do
d de
d energia elétrica.
l
Fundamentos de Eletricidade
13
Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro
Fundamentos de Eletricidade
14
Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro
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.
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.
Fundamentos de Eletricidade
15
Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro
Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL: Autarquia vinculada ao MME, com
finalidade de regular a fiscalização,
fiscalização a produção,
produção transmissão,
transmissão distribuição e
comercialização de energia, em conformidade com as políticas e diretrizes do Governo
Federal. A ANEEL detém os poderes regulador e fiscalizador.
Fundamentos de Eletricidade
16
Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro
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
bl
a comercialização
l
d energia elétrica
de
l
no Sistema Interligado
l d Nacionall ‐ SIN.
Administra os contratos de compra e venda de energia elétrica, sua contabilização e
liquidação. A CCEE é responsável pela operação comercial do sistema.
Fundamentos de Eletricidade
17
Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro
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
d d de
d coordenação
d
e controle
l da
d operação de
d geração e transmissão, no
âmbito do SIN (Sistema Interligado Nacional). O ONS é responsável pela operação
física do sistema e pelo despacho energético centralizado.
Fundamentos de Eletricidade
18
Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro
Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico
Nacional – PRODIST: São documentos elaborados pela ANEEL e normatizam e
padronizam
d
as atividades
d d técnicas relacionadas
l
d ao funcionamento
f
e desempenho
d
h dos
d
sistemas de distribuição de energia elétrica.
Fundamentos de Eletricidade
19
Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro
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.
energético
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,
Eletronorte CGTEE (Companhia de Geração Térmica de Energia Elétrica) e
Eletrosul,
Eletronuclear. A empresa possui ainda 50% da Itaipu Binancional e também controla o
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (Cepel).
Fundamentos de Eletricidade
20
Estrutura de um Sistema Elétrico de Potência
¾ O objetivo de um sistema elétrico de potência (SEP) é gerar,
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.
pessoal
Fundamentos de Eletricidade
21
Estrutura de um Sistema Elétrico de Potência
¾ 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, processo 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
id d em reparo retornar
t
à condição
di ã de
d trabalho
t b lh .
o Disponibilidade é definida como a probabilidade que o sistema esteja operando
adequadamente quando requisitado para uso. Em outras palavras, é o percentual
d tempo que o sistema
i
á pronto para uso se requisitado,
i i d ou a probabilidade
b bilid d de
d
de
está
um sistema não estar com falha ou em reparo quando requisitado para uso. A
expressão abaixo quantifica a disponibilidade:
Tempo médio entre falhas
Tempo médio para reparo (inclui desde a d
detecção até a retificação da falha)
ã
é
ifi ã d f lh )
Fundamentos de Eletricidade
22
Estrutura de um Sistema Elétrico de Potência
¾ Qualidade da energia é a condição de compatibilidade entre sistema
supridor e carga atendendo critérios de conformidade senoidal.
g
está relacionado com a habilidade do sistema de responder a
¾ Segurança
distúrbios que possam ocorrer no sistema. Em geral os sistemas elétricos
são construídos para continuar operando após ser submetido a uma
contingência.
Fundamentos de Eletricidade
23
Estrutura de um Sistema Elétrico de Potência
¾ 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.
Fundamentos de Eletricidade
24
Geração de Energia Elétrica
Fundamentos de Eletricidade
25
Geração de Energia Elétrica
¾ Na
N geração
ã de
d energia
i elétrica
lét i uma tensão
t ã alternada
lt
d é produzida,
d id a quall é
expressa por uma onda senoidal, com frequência fixa e amplitude que varia
conforme a modalidade do atendimento em baixa, média ou alta tensão.
¾ Essa onda senoidal propaga‐se pelo sistema elétrico mantendo a frequência
constante e modificando a amplitude à medida que trafegue por
transformadores.
¾ Os consumidores conectam‐se ao sistema elétrico e recebem o produto e o
serviço de energia elétrica.
Fundamentos de Eletricidade
26
Rede de Transmissão
Fundamentos de Eletricidade
27
Rede de Transmissão
¾ A rede
d de
d transmissão
t
i ã liga
li as grandes
d usinas
i
d geração
de
ã às
à áreas
á
d grande
de
d
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.
aéreas
¾ A segurança é um aspecto fundamental para as redes de transmissão.
Qualquer
Q
q
falta neste nível p
pode levar a descontinuidade de suprimento
p
para um grande número de consumidores.
¾ A energia elétrica é permanentemente monitorada e gerenciada por um
controle
centro de controle.
¾ O nível de tensão depende do país, mas normalmente o nível de tensão
estabelecido está entre 220 kV e 765 kV.
Fundamentos de Eletricidade
28
Rede de Sub-Transmissão
Sub Transmissão
Fundamentos de Eletricidade
29
Rede de Sub-Transmissão
Sub Transmissão
¾ A rede
d de
d sub‐transmissão
bt
i ã recebe
b energia
i da
d rede
d de
d transmissão
t
i ã com
objetivo de transportar energia elétrica a pequenas cidades ou importantes
consumidores industriais. O nível de tensão está entre 35 kV e 160 kV.
¾ Em geral, o arranjo das redes de sub‐transmissão é em anel para aumentar a
segurança do sistema.
¾ A estrutura dessas redes é em geral em linhas aéreas,
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
social Como
número de estudos de impacto ambiental e oposição social.
resultado, é cada vez mais difícil e caro para as redes de sub‐transmissão
alcançar áreas de alta densidade populacional.
¾ Os sistemas de proteção são do mesmo tipo daqueles usados para as redes
de transmissão e o controle é regional.
Fundamentos de Eletricidade
30
Rede de Distribuição
Fundamentos de Eletricidade
31
Rede de Distribuição
¾ As
A redes
d de
d distribuição
di t ib i ã alimentam
li
t
consumidores
id
i d t i i de
industriais
d médio
édi e
pequeno porte, consumidores comerciais e de serviços e consumidores
residenciais.
¾ Os níveis de tensão de distribuição são assim classificados segundo o
Prodist:
9 Alta tensão de distribuição (AT): tensão entre fases cujo valor eficaz é igual
ou superior a 69kV e inferior a 230kV.
9 Média tensão de distribuição (MT): tensão entre fases cujo valor eficaz é
superior a 1kV e inferior a 69kV.
9 Baixa tensão de distribuição (BT): tensão entre fases cujo valor eficaz é igual
ou inferior
i f i a 1kV.
1kV
Fundamentos de Eletricidade
32
Segmentos de um Sistema de Potência
Fundamentos de Eletricidade
33
Características do Sistema Elétrico
Brasileiro
Geração de Energia Elétrica no Brasil
¾ O sistema de produção de energia elétrica do Brasil pode ser classificado
como um sistema hidrotérmico de grande porte, com forte predominância
de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários.
¾ A maior parte da capacidade instalada é composta por usinas hidrelétricas,
que se distribuem em 14 diferentes bacias hidrográficas nas diferentes
regiões do país de maior atratividade econômica. São os casos das bacias
d rios Tocantins, Madeira,
dos
d
Parnaíba,
b São Francisco, Paraguai, Paranaíba,
b
Grande, Paraná, Tietê, Paraíba do Sul, Paranapanema, Iguaçu, Uruguai e
Jacuí onde se concentram as maiores centrais hidrelétricas.
Fundamentos de Eletricidade
35
Fundamentos de Eletricidade
36
Fundamentos de Eletricidade
37
Fundamentos de Eletricidade
38
Sistema Interligado Nacional – SIN
¾ O parque gerador nacional é constituído,
constituído predominantemente,
predominantemente de centrais
hidrelétricas de grande e médio porte, instaladas em diversas localidades
do território nacional.
¾ Por outro lado, existe uma concentração de demanda em localidades
industrializadas onde não se concentram as centrais geradoras. Estas
características são imperativas para a implantação de um sistema de
transmissão de
d longa
l
d
distância.
¾ Até 1999, o Brasil possuía vários sistemas elétricos desconectados, o que
impossibilitava uma operação eficiente das bacias hidrográficas regionais e
da transmissão de energia elétrica entre as principais usinas geradoras.
¾ Com o objetivo de ampliar a confiabilidade, otimizar os recursos
energéticos
éti
e homogeneizar
h
i
mercados
d foi
f i criado
i d o sistema
i t
i t li d
interligado
nacional ‐ SIN, o qual é responsável por mais de 95% do fornecimento
nacional. Sua operação é coordenada e controlada pelo Operador Nacional
do Sistema Elétrico – ONS.
ONS
Fundamentos de Eletricidade
39
Sistema Interligado Nacional – SIN
¾ É importante ressaltar que um sistema interligado de eletrificação permite
que as diferentes regiões permutem energia entre si, quando uma delas
apresenta queda no nível dos reservatórios.
¾ Como o regime de chuvas é diferente nas regiões Sul, Sudeste, Norte e
Nordeste, os grandes troncos (linhas de transmissão da mais alta tensão:
500 kV ou 750 kV) possibilitam que os pontos com produção insuficiente
d energia sejam abastecidos
de
b
d por centros de
d geração em situação favorável.
f
l
Fundamentos de Eletricidade
40
Sistema Interligado Nacional – SIN
¾ VANTAGENS:
ƒ Aumento da estabilidade – sistema torna‐se mais robusto podendo absorver,
sem perda de sincronismo, maiores impactos elétricos.
ƒ Aumento da confiabilidade – permite a continuidade do serviço em
decorrência da falha ou manutenção de equipamento, ou ainda devido às
alternativas de rotas para fluxo da energia.
ƒ Aumento da disponibilidade do sistema – a operação integrada acresce a
disponibilidade de energia do parque gerador em relação ao que se teria se cada
empresa operasse suas usinas isoladamente.
ƒ Mais econômico – permite a troca de reservas que pode resultar em economia na
capacidade de reservas dos sistemas. O intercâmbio de energia está baseado no
pressuposto
p
p
de q
que a demanda máxima dos sistemas envolvidos acontece em
horários diferentes. O intercâmbio pode também ser motivado pela importação
de energia de baixo custo de uma fonte geradora, como por exemplo, a energia
hidroelétrica para outro sistema cuja fonte geradora apresenta custo mais elevado.
Fundamentos de Eletricidade
41
Sistema Interligado Nacional – SIN
¾ DESVANTAGENS:
ƒ Distúrbio em um sistema afeta os demais sistemas interligados.
tornam‐se
se mais complexas.
ƒ A operação e proteção tornam
Fundamentos de Eletricidade
42
Transmissão de Energia Elétrica no Brasil
¾ As linhas de transmissão no Brasil costumam ser extensas,
extensas porque as
grandes usinas hidrelétricas geralmente estão situadas a distâncias
consideráveis dos centros consumidores de energia. Hoje o país está quase
que totalmente interligado,
interligado de norte a sul.
sul
¾ Apenas o Amazonas, Roraima, Acre, Amapá, Rondônia e parte dos Estados
do Pará ainda não fazem parte do sistema integrado de eletrificação.
Nestes Estados,
d o abastecimento
b
é feito
f
por pequenas usinas termelétricas
l
ou por usinas hidrelétricas situadas próximas às suas capitais
Fundamentos de Eletricidade
43
Fundamentos de Eletricidade
44
Sistemas de Distribuição no Brasil
¾ Os sistemas de distribuição de energia elétrica no Brasil incluem todas as
redes e linhas de distribuição de energia elétrica em tensão inferior a 230
kV, seja em baixa tensão (BT), média tensão (MT) ou alta tensão (AT).
Fundamentos de Eletricidade
45
Tendências para o Mercado de Energia
Elétrica
Tendências para o Mercado de Energia Elétrica
¾ O desenvolvimento atual do modelo internacional de mercado de energia
elétrica tem sido baseado em fluxo unidirecional de energia e,
possivelmente, por razões tecnológicas, em alguns casos, e razões
econômicas em muitos outros,
econômicas,
outros o mercado está baseado em tarifas fixas e
limitações de informações em tempo real sobre gerenciamento de carga.
¾ O mercado de transmissão e distribuição de energia elétrica está
caracterizado
d por monopólios
l
naturais dentro
d
d áreas geográficas.
de
f
A
ausência de competição faz com que as tarifas sejam controladas por
agentes reguladores.
¾ A nova tendência internacional é de liberalização do mercado de energia
elétrica com o estabelecimento de comércio de energia on‐line e de
p
de energia
g elétrica.
consumidores com o direito de escolher seu supridor
Fundamentos de Eletricidade
47
Tendências para o Mercado de Energia Elétrica
¾ Atualmente a maioria dos usuários da rede de energia elétrica são
receptores passivos sem nenhuma participação no gerenciamento da
operação da rede.
¾ Cada consumidor é simplesmente um absorvedor de eletricidade. As redes
de energia elétrica deverão em um futuro não longínquo permitir que seus
usuários exerçam um papel ativo na cadeia de suprimento de energia
elétrica.
l
¾ Com a consolidação da geração distribuída em um mercado liberalizado de
energia elétrica, um novo modelo de geração deverá surgir em que
coexistirão geração centralizada e geração descentralizada.
¾ Um grande número de pequenos e médios produtores de energia elétrica
com tecnologia
t
l i baseada
b
d em fontes
f t renováveis
á i de
d energia
i deverá
d
á ser
integrado à rede elétrica.
Fundamentos de Eletricidade
48
Tendências para o Mercado de Energia Elétrica
¾ Milhares de usuários terão geração própria tornando‐se
tornando se ambos,
ambos produtores
e consumidores de energia elétrica, denominados de prosumer.
g elétrica deverá fazer uso pleno de ambos, g
grandes
¾ O mercado de energia
produtores centralizados e pequenos produtores distribuídos.
¾ Geradores quando conectados à rede de media tensão são classificados
como mini‐geração (> 0,1
0 1 MW) e quando conectados à rede de baixa
tensão são classificados de micro‐geração.
¾ Pequenos produtores quando operando interligados à rede de distribuição
b i tensão dão
d
i
i
d sistema
i
d potência
ê i
em baixa
origem
a um novo tipo
de
de
denominado de Micro‐redes.
¾ As micro
micro‐redes
redes podem operar em modo autônomo ou como parte da rede
principal de energia elétrica. Quando várias fontes são conectadas entre si
e operam de forma conjunta e coordenada dá origem ao que se denomina
plantas de g
geração
ç virtual.
de p
Fundamentos de Eletricidade
49
Tendências para o Mercado de Energia Elétrica
Fundamentos de Eletricidade
50
Tendências para o Mercado de Energia Elétrica
¾ As Plantas Virtuais de Geração são operadas coletivamente por uma
entidade de controle centralizado, pois assumem a grandeza de uma planta
convencional podendo operar no mercado de energia elétrica.
Fundamentos de Eletricidade
51