26
27 4. A análise adequada do custo-benefício deve ser feita para garantir a prioridade de execução do projeto, o que melhorará o desempenho e a qualidade do serviço.
Com isso, as modernas ferramentas devem ser desenvolvidas para propiciar um suporte às opções de distribuição que, tradicionalmente, sempre foram monitoradas como estratégias simples e sem rigor (MOMOH, 2008).
Basicamente, os principais elementos, características e estruturas de um sistema de distribuição são mostradas na Figura 2.3, que mostra um típico trecho de uma rede elétrica de distribuição.
S
R
R
Banco de Capacitor Fixo
Banco de Capacitor Chaveado
Chave TIE (Normalmente Aberta)
Alimentador 3ϕ
Ramal Lat eral 1ϕ
Ramal Lat eral 3ϕ
Fus ível
Seccionalizador 1ϕ
Religador 3ϕ
Conexão ao Alimentador Adjacente
Chave TIE (Chave de Manobra Normalmente Aberta) Transformador de Distribuição (4 – 1
Residênci as) Disjunt ores do
Alimentador
Ramal Subterrâneo
Subestação
Regulador de Tensão
Chave Seccionadora (Normalmente Fechada)
PV DC
AC
Figura 2-3 - Um Alimentador Primário de Distribuição com suas Características e Principais Componentes (Adaptado de (BROWN, 2002) ).
Nesta figura, o trecho ilustrativo correspondente a um dos alimentadores que compõe a rede elétrica que, na qual, consiste de Subestação, Alimentador, Relés, Disjuntor, Regulador (Tensão), Religadores, Fusíveis, Transformadores de Distribuição, Geração Distribuída (Energia Renovável) e Cabos. A seguir, segue uma breve descrição de cada um deles:
Subestação: Geralmente, a subestação de distribuição está localizada perto dos consumidores finais e é responsável pela transformação da tensão de subtransmissão para a de distribuição primária.
Existem vários arranjos de subestações (SEs) possíveis, variando com a potência instalada. A SE possui um barramento que pode direcionar a energia para várias cargas. Normalmente, são instalados
28 disjuntores e chaves que possibilitam desconectar a SE da rede de transmissão ou mesmo desligar linhas que saem da subestação de distribuição, quando necessário.
Alimentador: É a conexão entre o terminal de saída das subestações de distribuição e o terminal de entrada das redes secundárias. O alimentador de distribuição geralmente deixa a subestação a partir de um disjuntor ou religador. Na ocorrência de uma falta, o disjuntor abrirá preservando o alimentador.
Religadores Automáticos podem ser instalados estrategicamente ao longo dos alimentadores com o objetivo de protegê-los e, assim, reduzir o impacto das faltas temporárias (ASSIS, 2014). Além disso, cada alimentador é subdividido em secções de carga por meio de chaves seccionadoras (chaves normalmente fechadas), sendo também conectados a outros alimentadores por meio de chaves de manobras (chaves normalmente abertas ou TIE).
Relé: No que se refere às redes de distribuição, é um dispositivo projetado para proteção contra sobretensão ou sobrecorrente. Ele envia um sinal de disparo ao disjuntor para abrir (fechar) um circuito quando houver condições anormais de tensão e/ou corrente.
Disjuntor: É um dispositivo mecânico de interrupção capaz de conduzir, interromper e religar circuitos sob todos os tipos de condição (correntes de carga, de curto-circuito, de magnetização de transformadores e reatores, capacitivas de banco de capacitores, etc) em tempos tão curtos quanto de dois ciclos (mesmo tendo permanecido na posição fechada após meses), de forma e a limitar a um mínimo os possíveis danos causados aos equipamentos. Juntos e separados aos disjuntores estão os dispositivos sensores (transdutores de corrente (TCs) e de tensão (TPs)) e os relés de proteção ou combinações destes. Os tipos de disjuntores vêm em diferentes formas devido ao fenômeno de arco causado durante a abertura dos contatos em alta tensão. As típicas nomenclaturas de disjuntores são feitas de acordo com meio de extinção que o dispositivo usa para extinguir o arco elétrico, tais como: ar comprimido, a vácuo, a óleo e os de hexafluoreto de enxofre, que utilizam meios de gás SF6 para extra alta tensão, que são aplicações acima de 345 kV.
Religadores: Na sua forma mais básica, um religador, no momento de uma falta, irá detectá-la e, em seguida, abrirá seus contatos por um tempo pré-determinado antes de fechá-los automaticamente.
Este fechamento automático é referido como um acionamento prévio automático denominado de autoreligamento. Além disso, poderão ocorrer várias operações de aberturas e fechamentos para eliminar faltas temporárias. Nesse caso, a falta é eliminada quando a linha for desenergizada, e o próximo autoreligamento automático irá restaurar o serviço. Se a falta for permanente, o religador abrirá seus contatos em definitivo e não tentará mais fechá-los até ser manuseado localmente por um operador, ou remotamente. Este estado é referido como bloqueio do religador. Os fabricantes padronizaram um máximo de quatro operações do religador para atuação em proteção antes de ocorrer o seu bloqueio.
Normalmente, o primeiro (ou os dois primeiros) disparo é instantâneo enquanto as próximos são na forma temporizada inversamente proporcional ao valor da magnitude da corrente de falta, já que o tempo de abertura é obtido de uma curva característica tempo-corrente (ABDELHAY A. SALLAM, 2011).
29 Regulador de Tensão: É um equipamento que atua quando há uma variação de tensão fora dos limites especificados numa rede de distribuição. Seu objetivo é corrigir a tensão a um determinado nível pré-definido para atender aos consumidores com um nível de tensão adequado. Sua robustez, eficiência e fácil utilização faz com que este dispositivo seja amplamente utilizado em sistemas de distribuição de energia elétrica nos quais se deseja a regulação da tensão em regime permanente. Além disso, sua instalação se faz necessária nos casos em que os alimentadores atendem às regiões com densidade de carga média e situadas a grandes distâncias dos centros de consumo ou da subestação.
Fusíveis: Também chamados de ELOS Fusíveis, são dispositivos que fundem na ocorrência de uma corrente de sobrecarga passante por ele. Eles constituem uma forma barata de proteção, já que sua fabricação consiste, basicamente, de um elemento fusível colocado num invólucro. Tal elemento é fabricado com materiais de zinco, cobre, prata, cádmio ou estanho. Os fusíveis vêm em diferentes formas: de baixa ou alta tensão. Não apresentam elevada capacidade de interrupção e são utilizados, praticamente, em redes de distribuição, principalmente em redes aéreas. Eles são classificados em termos de BIL, tensão, corrente contínua e coordenação do fusível de capacidade de interrupção (tempo que leva para que o fusível se funda) (MOMOH, 2008). A norma brasileira (NBR-5359) prescreve três tipos de elos fusíveis de distribuição: i) ELO Tipo K; ii) ELO Tipo H e iii) ELO Tipo T. Os Elo do tipo
“K” são do tipo “rápido” e são utilizados para proteção de alimentadores e de ramais. Os do Tipo T são de característica “lenta”. Por fim, os do tipo H são do tipo “alto surto”, e são utilizados na proteção de transformadores de distribuição (MARDEGAN, 2012).
Seccionalizador: É um dispositivo de proteção que não usa a curva característica tempo- corrente, e opera em conjunto com o religador. É utilizado para isolar automaticamente uma falta num segmento de linha a partir de um distúrbio, já que ele não interrompe uma corrente de falta. Ele detecta qualquer corrente acima de sua de seu ajuste, seguida da desenergização de uma linha pelo religador a montante.
Chaves Seccionadoras: São chaves de controle, normalmente fechadas (NF), que podem ser acionadas (abertas) quando uma falha ocorre. Seu objetivo é isolar a falha para o menor número de clientes possível e possibilitar a restauração da energia para a região da rede a montante da falha (ASSIS, 2014).
Chaves de Manobra: Também chamadas de chaves TIE, são chaves de controle, normalmente aberta (NA), que podem ser acionadas (fechadas) com o objetivo de energizar setores da rede que podem ser isolados do defeito. Atuando em conjunto com chaves NF, são capazes de realizar a tranferência de carga para os clientes situados a jusante do local onde ocorreu a falha (ASSIS, 2014).
Cabos: São condutores de energia elétrica. Existem em vários tipos. Podem ser construídos por materiais com alumínio ou cobre, e podem ter diferentes bitolas, que definem suas capacidades (ASSIS, 2014).
30 Geração Distribuída (Energia renovável): É um produtor independente de energia na região do consumidor. É chamado de energia distribuída resultante a partir de uma fonte de energia renovável, como a energia fotovoltaica, a biomassa, a microturbina ou a energia eólica.
Um subsistema de distribuição completo inclui outros equipamentos, tais como baterias, sensores e software de aplicação de computador. No geral, a inclusão de tal equipamento fornece funcionalidades para garantir o monitoramento e controle em tempo real da rede de distribuição do sistema de energia. Um Sistema de Distribuição é uma arte criativa de uma criativa engenharia e serviu às concessionárias por anos. No entanto, à medida que a tecnologia da comunicação e do sistema inteligente avança, os sistemas de distribuição vão sendo aprimorados (MOMOH, 2008).
O sistema Primário de Distribuição inclui três tipos básicos: Radial, Looping e Sistemas de Rede Primária.
Sistema Radial de Distribuição
O sistema radial é aquele no qual a alimentação é feita apenas por uma extremidade.
Basicamente, os sistemas radiais são divididos em dois tipos: Radial Simples e Radial com Recurso (Em Anel Aberto).
Radial Simples
Os sistemas radiais simples são, geralmente, utilizados em áreas de baixa densidade de carga, principalmente rurais, nas quais os circuitos tomam normalmente direções distintas, face às próprias características de distribuição da carga, tornando geralmente antieconômico o estabelecimento de pontos de interligação (ELETROBRAS, 1982). Além disso, o sistema radial simples é o mais simples e de custo mais baixo. A principal desvantagem é que demanda maior tempo para que o fornecimento seja restabelecido após um defeito, pois, neste caso, o circuito todo fica desligado ou pelo menos, o trecho além do ponto de falta.
A Figura 2.4 mostra um arranjo típico de um alimentador de distribuição radial simples, ou seja, alimentador principal, ramais de derivação, transformadores abaixadores e de distribuição (ANDERSON, 1999).
Note que para cada um dos transformadores de distribuição mostrados na Figura 2.4 existe no seu lado de alta tensão um fusível. Este fusível é externo e está localizado no lado de alta tensão do transformador de distribuição utilizando-se para sua acomodação uma chave-fusível.
Os consumidores alimentados pelo secundário do transformador devem possuir seus próprios sistemas de proteção, não dependendo assim do fusível do lado de alta tensão do transformador para a sua proteção (ANDERSON, 1999).
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Chave Normalmente Fechada - NF Transformador
da Subestação
Ramais
Alimentador Principal
Alimentador Principal NF
Figura 2-4 - Diagrama Unifilar de um Alimentador Primário Radial Simples de Distribuição (adaptado de (ANDERSON, 1999)).
Radial com Recurso (Looping em Aberto)
Os Sistemas Radiais com Recurso, também chamado de Sistema em Anel Aberto, ou Looping Primário, são geralmente empregados em áreas urbanas, pois devem ser utilizados em áreas que demandem maiores densidades de carga ou requeiram maior grau de confiabilidade devido às suas particularidades (comércio, hospitais, etc).
Este sistema caracteriza-se pela:
i) existência de interligação, normalmente aberta, entre alimentadores adjacentes, da mesma ou de subestações diferentes por meio de dispositivos de seccionamento e religamento (operação manual ou automática), o que implica num aumento da confiabilidade. Quando manual, o tempo de manobra influi negativamente no tempo de restauração do serviço. Entretanto, o comando automático eleva o preço da instalação e exige manutenção frequente, o que constitui um fator econômico a ser considerado;
ii) capacidade de reserva para cada alimentador, em sua fase de planejamento, para absorção de carga de outro alimentador na eventualidade de defeito;
iii) limitação do número de clientes interrompidos por defeitos e diminuição do tempo de interrupção em relação ao sistema radial simples. É comum a existência de dois ou no máximo quatro interligações, o que é suficiente para manter condições razoáveis de fornecimento (ELETROBRAS, 1982).
Nessa estrutura, qualquer secção de carga do alimentador pode ser isolada sem interromper as demais regiões deste, e a duração das faltas são reduzidas ao tempo necessário para sua localização e posterior realização do processo de restauração do serviço (PABLA, 2005). A Figura 2.5 apresenta a configuração do esquema radial em anel aberto.
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S R R
Alimentador 3ϕ
NA (Chave TIE)
Subestação A RAlimentador 3ϕ
Subestação B R
Alimentador 3ϕ
Alimentador 3ϕ NF
NF
Ramal Ramal
Ramai s
Alimentador 3ϕ
NF
NF
NA
Alimentador Adjacente De O utra SE
Figura 2-5 - Diagrama Unifilar de um Rede Elétrica Primária Radial em Anel Aberto (adaptado de (ELETROBRAS, 1982))
O critério usual para fixação do carregamento de alimentadores, em regime normal de operação, é o de se definir o número de alimentadores que irão receber a carga a ser transferida. Usualmente dois alimentadores socorrem um terceiro, e estabelece-se que o carregamento dos alimentadores que receberão a carga extra não exceda o correspondente ao limite térmico na Equação (2.1). Assim sendo:
𝑆𝑡𝑒𝑟𝑚= 𝑆𝑟𝑒𝑔+𝑆𝑟𝑒𝑔
𝑛 (2.1) Onde:
n – Número de alimentadores que irão absorver a carga do circuito em contingência;
𝑆𝑡𝑒𝑟𝑚 – Carregamento correspondente ao limite térmico do alimentador;
𝑆𝑟𝑒𝑔 – Carregamento do alimentador para operação em condições normais.
O carregamento do alimentador é dado pela Equação (2.2):
𝑆𝑟𝑒𝑔= 𝑛
𝑛+1𝑆𝑡𝑒𝑟𝑚 (2.2) Para o caso de dois alimentadores de socorro, a capacidade de limite térmico corresponderá a 67%.
No geral, o custo do sistema em anel é mais elevado que o radial, não só pela multiplicidade dos equipamentos de proteção e manobra, como também pela necessidade de maior bitola dos condutores que devem operar com folgas para permitirem as transferências de carga.
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