O desenvolvimento dos sistemas Elétricos de Potência e a sua importância para o desenvolvimento sócio econômico – Parte 2

Foto de uma Linha de Transmissão

Por Jorge Paulino
Engenheiro Eletricista e de Produção

Segundo dados da ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica - em seu site, as linhas de transmissão no Brasil costumam ser extensas, porque geralmente as usinas hidrelétricas, estão localizadas em pontos distantes dos grandes centros consumidores de energia.

O sistema de transmissão de energia elétrica compreende toda rede que interliga as usinas geradoras às subestações da rede de distribuição e hoje o Brasil está quase que totalmente interligado, de norte a sul; sendo a energia elétrica transportada de um ponto Transmissor a um terminal Receptor - linhas de transmissão (LT) e linhas de distribuição de energia elétrica.

É um sistema usado para transmitir energia eletromagnética; a transmissão é guiada de uma fonte geradora para uma carga consumidora, podendo transportar energia elétrica de corrente alternada (CA), para alimentação industrial, residencial; energia elétrica de corrente contínua (CC), no caso de equipamentos eletroeletrônicos industriais, entre outros; telefonia; e uma infinidade de sinais híbridos, redes de computadores, etc. 

Imagem disponível em http://www.redeinteligente.com/2009/08/11/rede-inteligente-por-que-como-quem-quando-onde/

A energia gerada nem sempre será utilizada, ou consumida no lugar de sua geração, portanto, a linha de transmissão precisa ter a maior eficiência possível.

Os grandes sistemas de transmissão, as redes e malhas; proporcionam um benefício à sociedade, tais como o transporte da energia elétrica desde os centros geradores/produtores e os centros de distribuição/consumidores. Porém, segundo João Mamede Filho no livro Instalações Elétricas Industriais, “Em oposição ao intento de garantir economicamente a qualidade do serviço e assegurar uma vida razoável às instalações, os concessionários dos Sistemas de Energia Elétrica defrontam-se com as perturbações e anomalias de funcionamento que afetam as redes elétricas e seus órgãos de controle”.

Sistema automatizado para controle e operação das redes

Se admitirmos que, no projeto leva-se em consideração a expectativa e a previsão de crescimento do consumo, três outras preocupações persistem para o concessionário: a elaboração de programas ótimos de geração, a constituição de esquemas de interconexão apropriados, a utilização de um conjunto coerente de proteções.
Consideram-se também que os parâmetros como indutância, capacitância, constante de fase, velocidade de propagação, entre outros; delimitam os fatores necessários para um cálculo com maior eficiência possível.
As formas mais comuns de linhas de transmissão são:
− Linhas aéreas em corrente alternada (CA) ou em corrente contínua (CC), com condutores separados por material dielétrico.
− Linhas subterrâneas com cabo tipo coaxial com um fio central condutor, isolado de um condutor externo coaxial de retorno.
Hoje no Brasil, apenas o Amazonas, Roraima, Acre, Amapá, Rondônia e parte dos Estados do Pará ainda não fazem parte do sistema integrado de eletrificação, sendo o abastecimento feito por pequenas usinas termelétricas ou por usinas hidrelétricas situadas próximas às suas capitais.
O sistema interligado de eletrificação permite que as diferentes regiões permutem energia entre si, quando uma delas apresenta queda no nível dos reservatórios. 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 de energia sejam abastecidos por centros de geração em situação favorável.Com o objetivo de redução de perdas, devido às suas grandes extensões, o sistema elétrico de potência exige o uso de correntes e tensões cada vez mais elevadas, para que sejam controlados e protegidos, estes sistemas utilizam instrumentos de medição e proteção que necessitam receber informações destas grandezas. Como é inviável economicamente o uso de instrumentos que meçam diretamente as tensões e correntes de linha, utilizam-se os transformadores de instrumentos.
Em seu livro Instalações Elétricas Industriais, João Mamede Filho define esses objetivos:
· Alimentar o sistema de proteção e medição com tensão e corrente reduzidas, mas proporcionais às grandezas dos circuitos de força;
· Proporcionar isolamento entre o circuito de alta tensão e os instrumentos e, conseqüentemente, segurança pessoal;
· Padronizar a fabricação dos instrumentos.
· Para a transformação dos valores de corrente e tensão do sistema de potência, são utilizados, respectivamente o transformador de corrente (TC) e o transformador de potencial (TP).

As definições básicas desses sistemas são:
· Circuito primário - circuito conectado ao enrolamento primário, onde se tem o verdadeiro valor da grandeza a ser transformada (circuito de força, geralmente um cabo, um barramento, etc);
· Circuito secundário - circuito conectado ao enrolamento secundário , onde se tem o valor proporcional da grandeza do circuito primário, composto por fiações, blocos terminais e instrumentos (amperímetros, voltímetros, relés, etc.).
· Carga: impedância total do circuito secundário.
· Erro de relação: diferença entre a relação de transformação medida e relação de transformação nominal.
· Classe de exatidão: valor máximo do erro de relação expresso em porcentagem .

Os transformadores de corrente (TCs)

Destinam-se a evitar a conexão direta de medidores e relés, nos circuitos de corrente alternada de alta-tensão, bem como a adaptar a grandeza a ser medida às faixas usuais da aparelhagem.
O enrolamento primário tem geralmente poucas espiras, às vezes mesmo uma única; ao contrário, o enrolamento secundário tem maior número de espiras e a ele são ligadas as bobinas dos diversos medidores e/ou relés.
Apresentam como função principal reduzir a informação de corrente primária a valores compatíveis com os equipamentos de medição e proteção da subestação. Como se localizam em pontos distantes dos painéis de controle, medição e proteção, isolam destes e das pessoas que têm acesso aos mesmos, as correntes primárias, de valores extremamente elevados, principalmente no momento da ocorrência de uma falta.
De acordo com a finalidade de sua aplicação, os TCs são divididos em dois grupos:
· TC de Medição - devem operar em condições de regime permanente e dentro da faixa de O a 2 vezes o valor da corrente nominal.
· TC de Proteção - devem transformar a corrente primária, dentro de determinados limites de exatidão, tanto em condições normais de operação, quanto sob curto-circuitos (corrente de curto-circuito até 20 vezes o valor da corrente nominal).
De acordo com suas características construtivas, os TCs de proteção são divididos em dois grupos:
· TC de baixa reatância - tem característica de baixa reatância por possuir o enrolamento secundário distribuído uniformemente sobre um núcleo toroidal. Sua baixa reatância de dispersão de fluxo magnético não influencia significativamente no erro de relação de transformação
· TC de alta reatância - tem característica de alta reatância de dispersão de fluxo magnético por possuir núcleo com outras geometrias, tendo o enrolamento secundário concentrado em partes desse núcleo.
O TC deve ser especificado, visando seu correto funcionamento, de acordo com as características das grandezas e dos circuitos envolvidos. Esta especificação deve levar em consideração a freqüência nominal do sistema, corrente primária nominal, corrente secundária nominal, fator de sobrecarga, efeitos mecânicos e térmicos, tensão nominal e cargas nominais.
Outro item de extrema importância para a especificação de um TC é a classe de exatidão, que é definida como o valor máximo do erro expresso em porcentagem. Os TCs de proteção, de acordo com as normas, devem possuir classe de exatidão de 5 ou 10%.
A definição da classe de exatidão de um TC depende da carga conectada ao seu enrolamento secundário. Para a declaração dos requisitos de exatidão, as normas padronizaram determinados valores de impedância de cargas, denominadas cargas padrão ou cargas nominais.

Caracterização de um TC é feita levando-se em consideração os seguintes parametros:

a) Corrente nominal e relação nominal: segundo a norma PEB-251 da ABNT, para correntes nominais secundárias 5A, as correntes nominais primárias são 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000 A.

A relação é indicada assim: 120:1 se o TC é 600-5 A, se há vários enrolamentos primários ( série, série-paralelo e paralelo), indica-se 150 x 300 x 600-5 A.

a) Classe de tensão de isolamento nominal; é definida pela tensão do circuito ao qual o TC vai ser conectado (em geral, tensão máxima de serviço).
b) Freqüência nominal; são normais às freqüências de 50 e/ou 60 Hz.
Classe de exatidão, apresenta características distintas nos serviços de medição e proteção. Corresponde ao erro máximo de transformação esperado se respeitada a carga permitida.

O transformador de potencial (TP)

Pode existir mais de um secundário ou derivações em um único secundário, a fim de se obter diferentes valores de tensão, algumas vezes necessários para padronização de relés ou para medição.
São dispositivos que possuem o enrolamento primário ligado em derivação (paralelo) com o circuito principal e reproduz em seu enrolamento secundário uma tensão cujo valor é função da tensão primária e da relação direta das quantidades de espiras dos enrolamentos, geralmente ligado aos relés e/ou instrumentos de medição cujo valor de tensão depende da tensão primária e do número de espiras do enrolamento (relação de transformação), o enrolamento primário está conectado diretamente ao circuito de potência, entre duas fases ou fase-terra.
Em resumo, são equipamentos que têm por objetivo reduzir o valor da tensão de um determinado circuito para níveis compatíveis com instrumentos de medição e relés de proteção. São projetados para urna tensão secundária nominal padronizada de 115 V, sendo a tensão primária nominal estabelecida de acordo com a ordern de grandeza da tensão do circuito em que o TP está ligado. Desta forma, as relações mais comuns encontradas no mercado são: 138Kv/115V, 13,8Kv/115V, entre outros. Assim como os TCs, estes equipamentos também apresentam erros de relação que estão vinculados com as características construtivas dos TP's (materiais eletromagneticos) e com o tipo de carga conectada ao seu circuito secundário (relés, voltímetros, etc). Devido a estas considerações, a ABNT e ANSI estabelecem certas condições sob as quais os TP's devem ser ensaiados, com o objetivo de enquadrá-los em uma classificação padronizada, chamada classe de exatidão. Esta classificação é um fator importante no momento da especificação de um TP, pois relaciona diretamente o nível de erro do equipamento com a carga que será alimentada.

Os dispositivos de potencial podem ser divididos em dois grupos:
O Transformador de Potencial Capacitivo (TPC) ou Divisor Capacitivo (DCP)
Exerce as mesmas funções do transformador de potencial convencional, porém é muito utilizado por ser confiável e ter baixo custo. Os divisores capacitivos podem ser enquadrados em dois subgrupos:

a) De acoplamento
O capacitor de acoplamento é um dispositivo formado por unidades capacitivas ligadas em série e dando origem a uma capacitãncia entre a linha e a terra. A última unidade capacitiva da série é colocada dentro de uma base (caixa de potencial) a prova de tempo e a conexão da unidade de acoplamento é feita diretamente à linha sem qualquer dispositivo de proteção.

b) De bucha (BPD)
Em um TP instalado na bucha de um disjuntor de 138 kV, verifica-se que a bucha consiste de um condutor central colocado dentro de um corpo isolante de porcelana e de um flange metálico. Se o condutor central for envolvido com uma folha de material isolante e sobre esta uma folha metálica, e assim sucessivamente, próximo ao flange tem-se um potencial quase zero.

Divisores capacitivos de potencial de linha (DCP's)
São dispositivos que fornecem uma fonte de potencial proporcional à da linha de transmissão na qual estão ligados e também proporcionam um caminho de baixa impedância para as freqüências usadas no sistema para proteção ou comunicação.
Os divisores capacitivos são constituídos basicamente de duas partes, a primeira composta de vários capacitores em série ligados entre uma fase e a terra e a segunda, por um transformador de potencial ligado entre a terra e o último elemento capacitar, cujo secundário fornece as tensões para medição e para a polarização dos relés.
A tensão fase/terra fica dividida proporcionalmente ao número de capacitores, então, com isso, consegue-se, com segurança, baixar tensões bastante elevadas sem a necessidade do transformador de pertence isolado para aquela tensão.
Normalmente, o último capacitor é ligado através de um filtro do equipamento, que é constituído por dispositivos que permitem um caminho de baixa impedância para as freqüências em uso naquele sistema. 

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