O Sistema Energético do Brasil com estudo de caso na cidade de São João del Rei Guilherme Kazama Tsujigushi Marcos Antônio de Almeida Maia Júnior Renan Dotta Pereira Consoli Victor Ferreira Almeida Mota Abstract—This article presents a study of the energy system of Brazil as a whole, with regard to generation, transmission and distribution of electrical energy. Brazil has for electric power generation hydroelectric power plants, wind, solar, nuclear and thermal power. This article is addressed to the generation of electricity through hydroelectric plant Itutinga in the state of Minas Gerais. Indicating the main points about the substation of São João Del Rei, near the Itutinga power plant. Index Terms—Distribution, electricity, generation, São João del Rei, energy system, transmission. Resumo—Este artigo apresenta um estudo do sistema energético do Brasil como um todo, no que diz respeito à geração, transmissão e distribuição da energia elétrica. O Brasil possui para geração de energia elétrica usinas hidrelétricas, eólicas, solar, nuclear e termelétrica. Neste artigo será abordada a geração de energia elétrica através da usina hidrelétrica de Itutinga no estado de Minas Gerais. Apontando os principais pontos da subestação da cidade de São João Del Rei, próxima à usina de Itutinga. Palavras chave—Distribuição, eletricidade, geração, São João del Rei, sistema energético, transmissão.
a partir do movimento das hélices. O vento faz com que as grandes hélices entrem em movimento acionando o gerador, transformando então essa energia eólica em energia elétrica, pronta para ser distribuída [1]. B. Usinas Termoelétricas As usinas termoelétricas partem do princípio da queima de combustíveis fósseis para a geração da energia elétrica. A Figura 1 ilustra o funcionamento básico de uma usina termoelétrica.
I. INTRODUÇÃO A energia utilizada nas residências e na indústria passa por muitos processos ou etapas para chegar ao seu destino de forma adequada. O sistema de energia elétrica envolve a geração, transmissão e distribuição. Este artigo visa explicar tais etapas e por fim aplicar esse sistema em um caso real, usando a cidade de São João Del Rei para isso. Será focalizado o estado de Minas Gerais com a concessionária sendo a CEMIG. II. SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA A. Usinas Eólicas As usinas eólicas geram energia elétrica de maneira limpa, sem agredir o meio ambiente. Estas devem ser instaladas em locais bem expostos ao vento, uma vez que o gerador funciona Artigo Científico apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Graduação em Engenharia Elétrica. G. K. Tsujigushi (
[email protected]), M. A. A. M. Junior (
[email protected]), R. D. P. Consoli (
[email protected]) e V. F. A. Mota (
[email protected]). Trabalho aprovado em 11/2013.
Figura. 1. Funcionamento básico de uma termoelétrica [2].
Pode-se observar na Figura 1 que a queima dos combustíveis fósseis na fornalha esquenta a água, e o vapor d´água gerado faz com que turbina entre em movimento acionando o gerador. Parte do vapor d’água gerado volta até um condensador, transformando o vapor em liquido o redirecionando para a fornalha [3]. As termoelétricas diferentemente das eólicas, causam um impacto ambiental muito grande, pois eliminam gases em quantidades significativas que causam a chuva ácida e o efeito estufa. C. Usinas Solares Nas usinas solares se utiliza uma grande quantidade de espelhos que refletem a luz do sol diretamente para uma caldeira, localizada no topo de uma estrutura elevada como ilustra a Figura 2.
III. SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA
Figura. 2. Espelhos refletores em uma Usina Solar [4].
Os vapores gerados através do aquecimento dessa caldeira movem uma turbina localizada na casa de máquinas que aciona o gerador, transformando desta forma a energia solar em energia elétrica [5]. Existe também outra maneira de se utilizar a energia solar, porém esta não é utilizada nas usinas solares. A outra maneira acontece através de células fotovoltaicas. São elas que irão transformar a luz incidente do sol nas placas diretamente em energia elétrica.
Geralmente, a geração da energia ocorre afastada dos grandes centros sendo necessário um sistema de transmissão para atender toda a população no território brasileiro. Esta etapa deve ser muito bem projetada para que não ocorra desperdício e parte da energia seja perdida. Basicamente a rede de transmissão é composta por três fatores: linhas de transmissão, torres e subestações. A linha de transmissão é constituída por fios condutores metálicos, onde estes fios são revestidos por camadas isolantes e suspensos em grandes estruturas de metal. Vale ressaltar que a escolha de transmissão da tensão na forma alternada se deve principalmente pelo fato de diminuir consideravelmente a bitola do cabo, devido a diminuição da corrente. E um segundo ponto está relacionado com o uso de transformadores de tensão, podendo-se elevar ou abaixar o valor da tensão, já que de forma continua isso não seria possível. Em nosso país as linhas de transmissão, são classificadas conforme o valor ou nível de tensão que está sendo transmitido. A Figura 3 ilustra as principais redes de transmissão com os respectivos valores de tensão.
D. Usinas nucleares As usinas nucleares geram energia a partir do calor liberado pela fissão nuclear. Essas usinas possuem um Reator Nuclear, é nele onde estão presentes as reações nucleares. O principal elemento no reator é o urânio, que é quebrado por partículas sem cargas denominadas nêutrons, dando origem então aos elementos como crípton (Kr) e bário (Ba) e mais alguns nêutrons, gerando uma reação em cadeia [6]. No reator é encontrado centenas de varetas contendo este material radioativo, liberando muito calor. O reator tem como objetivo esquentar a água, transformando-a em vapor, este vapor irá alimentar uma turbina acionando o gerador, gerando a energia elétrica [7]. E. Usinas Hidrelétricas As usinas hidrelétricas são fontes limpas de energia e de baixo custo, que dependem apenas de fatores climáticos. Estas usinas são instaladas em rios que possuem uma grande quantidade de água e apresentem desníveis significativos em seu percurso [8]. A força da correnteza do rio junto aos desníveis apresentados em seu curso faz com que a água passe pelas tubulações com bastante força e velocidade, fazendo com que as turbinas entrem em movimento. Essas turbinas estão conectadas ao gerador, transformando então a energia potencial gerada pelas quedas ao longo do curso do rio e a energia mecânica do movimento das turbinas em energia elétrica [8]. A concessionária CEMIG é a responsável pela geração e distribuição de energia no estado de Minas Gerais. Neste estudo será abordada principalmente a geração de energia pela hidrelétrica de Itutinga e as subestações de São João Del Rei.
Figura. 3. Principais redes de transmissão no Brasil [9].
Outro fator importante na transmissão são as estruturas metálicas ou torres que precisam suportar o constante esforço causado por ventos, tempestades, e a própria temperatura do cabo, que o faz aumentar ou diminuir o tamanho e assim por diante. Existem diversos tipos de estruturas, sendo que um fator determinante é o tipo de fundação que será feita para a instalação da torre sendo escolhido conforme o tipo de solo [10]. A Figura 4 ilustra um tipo de torre utilizada na transmissão de energia elétrica.
Figura. 6. Modelo de um Sistema Energético no Brasil desde a geração até o consumidor final [12].
Figura. 4. Exemplo de torre utilizada na transmissão de energia [10].
Como o sistema de potência é trifásico, podem ser observados na Figura 2 os três conjuntos de cabos suspensos na torre. Outro fator importante são os cabos suspensos na parte mais alta da torre, chamado de cabo para-raios que protegem o sistema contra descargas elétricas. Por fim, o sistema de transmissão faz uso das subestações com o objetivo de elevar ou abaixar o nível de tensão. Na geração a tensão é elevada com o objetivo de diminuir a bitola do cabo. Na distribuição a tensão é rebaixada para que os consumidores possam utilizar seus equipamentos dentro dos padrões especificados [11]. A Figura 5 ilustra uma subestação.
Fig. 5. Exemplo de uma subestação de energia [11].
Quem opera e administra a parte de transmissão em Minas Gerais é a CEMIG. Ela é o terceiro maior grupo de transmissão do país e possui 7.506 km de linhas de transmissão. IV. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA
O setor privado de energia distribuída no Brasil apresenta uma ampla vantagem em relação às empresas públicas, dentre as associadas à ABRADEE (Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica). O setor privado corresponde à aproximadamente 60% de distribuição de energia, enquanto as empresas públicas se responsabilizam próximo a 40% do total de energia distribuída no país [12]. Linhas de alta, média e baixa tensão compõem as redes de distribuição. Embora algumas redes transmissoras também possuam linhas com tensão abaixo de 230kV, nomeadas como Demais Instalações de Transmissão (DIT), grande parte das linhas de transmissão com voltagens equivalentes a 69 kV e 138 kV são encargos das empresas distribuidoras conhecidas como linhas de subtransmissão [12]. As distribuidoras além de atuarem com linhas de subtransmissão também operam com linhas de média tensão entre 2,3 kV e 44 kV chamadas de redes primárias, visíveis em ruas e avenidas de grandes cidades, que habitualmente são compostas por três fios condutores aéreos apoiados por cruzetas de madeira em postes de concreto. Existem ainda as linhas de baixa tensão ou redes secundárias, com tensão elétrica que pode variar entre 110 e 440 V, que estão localizadas a uma altura inferior das redes primárias. São elas as responsáveis por levar energia elétrica até as residências, comércios/indústrias de pequeno porte, através de ramais de ligação. Os supermercados, comércios e indústrias de médio porte recebem energia diretamente das redes de média tensão, onde possuem transformadores próprios responsáveis pela alteração dos altos níveis para tensões menores [12]. A Figura 7 ilustra uma rede de médias e baixas tensões.
A. Sistema de Distribuição de Energia no Brasil O sistema de distribuição está atrelado a entrega de energia elétrica ao consumidor final de forma segura e com qualidade. O sistema pode ser facilmente identificado, já que está localizado em ruas e avenidas urbanas. Este processo ocorre por meio de fios condutores aéreos (alocados em postes) ou subterrâneos (localizados sob o solo, dentro de dutos subterrâneos) chegando ao endereço do usuário final devidamente vinculado à rede elétrica de determinada empresa de distribuição [12]. A Figura 6 ilustra todos os passos do sistema de energia de uma hidrelétrica até chegar ao consumidor final. Fig. 6. Exemplo de uma rede de médias e baixas tensões [13].
da tarifa de energia cobrada ao consumidor. Em 2013, o Brasil relata mais de 72 milhões de “Unidades Consumidoras” (UC), este valor compõe a totalidade de instalações e equipamentos elétricos que recebem energia elétrica em um só ponto de entrega, com medição individualizada e equivalente a um único usuário. Dentre todas as UCs brasileiras, 85% são residenciais [12]. A Figura 7 ilustra as maiores concessionárias por consumo no país. Fig. 8. Composição tarifária da energia no Brasil [15].
Existem dois custos relativos às perdas elétricas, sendo eles perdas técnicas e perdas não técnicas. Perdas técnicas ocorrem em todo tipo de circuito elétrico devido as resistências encontradas em seu percurso, transformando a passagem da corrente elétrica em calor. Já as perdas não técnicas são as perdas materiais, sejam elas por furtos ou danos, e também por problemas de medição. A ANEEL é quem faz a regulamentação dessas perdas e determina como e quanto de tarifa poderá ser repassado ao usuário [15]. C. Futuro do Sistema de Distribuição de Energia Hoje em dia, uma das tecnologias mais citadas para o futuro da distribuição da energia elétrica no país é o Smart Grid. Algumas de suas principais vantagens que são constantemente citadas é a de poder evitar “apagões” e também o furto de energia, conhecido popularmente como o famoso “gato”. Essa tecnologia traria como principal conceito a instalação de medidores inteligentes, que controlariam melhor a utilização da energia elétrica trazendo inúmeros benefícios, sendo um deles a redução da conta energia [16]. Fig. 7. Maiores concessionárias por consumo no Brasil [14].
O departamento de distribuição de energia elétrica está compreendido dentre os mais regulamentados e fiscalizados do setor elétrico, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) edita Resoluções, Portarias e outras normas para o funcionamento apropriado do setor, sendo rigorosa com sua fiscalização [12]. No estudo de caso na cidade de São João del Rei a distribuição de energia elétrica é realizada por meio de duas subestações. Nelas chegam energia vindas de 4 usinas hidrelétricas. A companhia responsável pela distribuição na cidade é a CEMIG. B. Tarifação A tarifação de energia é cobrada por unidade de energia (R$/kWh) consumida. Ao Valor dos componentes físicos do sistema estão resumidos pelos custos com aquisição de energia elétrica, custos relativos ao uso do sistema de distribuição, custos relativos ao uso do sistema de transmissão, perdas técnicas e não técnicas além dos custos de encargos e impostos brasileiros. Comumente a tarifa de energia é cobrada por meio de uma conta de energia elétrica ou “Conta de Luz”, na qual as concessionárias emitem um cálculo detalhado com o valor consumido pelo usuário [15]. A Figura 8 ilustra a composição
V. APRESENTAÇÃO DO SISTEMA ENERGÉTICO DE SÃO JOÃO DEL REI Como complemento do trabalho, este capítulo irá mostrar alguns dados técnicos reais do Sistema Energético na cidade de São João del Rei, no estado de Minas Gerais. A CEMIG é a concessionária responsável por todo processo de alimentação da cidade, sendo atuante na geração, transmissão e distribuição da energia no município. A. Subestações A cidade de São João del Rei conta com 2 Subestações, as quais recebem a energia vinda da sua fonte e distribui para os seus usuários. A principal Subestação é a SDEU, a qual fica localizada em umas das entradas da cidade. A Tabela I apresenta alguns dados técnicos referentes a essa Subestação. TABELA I DADOS REFERENTES À SUBESTAÇÃO SDEU. Nome Subestação Carga Rural (MVA) Carga Total (MVA) Consumidores Distribuídos Consumidores Primários Consumidores Rurais Total de Consumidores
SDEU 45.227 135.780 51401 58 5153 56612
Telecomando Demanda Fase A (MVA) Demanda Fase B (MVA) Demanda Fase C (MVA)
Não 13.138 13.337 13.257
Cada consumidor corresponde a um relógio na rede de energia elétrica. A Subestação SDEU é constituída por 2 barras, que fazem a divisão da energia para os Religadores. Os Religadores tem a função de proteção e alimentação da rede elétrica. A barra 1 contém 1 transformador e 4 alimentadores e na barra 2 constitui 1 transformador e 6 alimentadores. A Figura 9 ilustra a SDEU com seus elementos de rede.
Demanda Fase C (MVA) Demanda Total (MVA) Carga Distribuída (MVA) Carga Primária (MVA) Carga Rural (MVA) Carga Total (MVA) Consumidores Distribuídos Consumidores Primários Consumidores Rurais Total de Consumidores
5.688 16.508 37.167 7.780 9.534 54.481 23791 28 1150 24969
Para o Trafo da Barra 1, a Tabela III apresenta os dados do transformador. TABELA III DADOS REFERENTES AO TRANSFORMADOR DA BARRA 1.
Figura. 9. Elementos de rede da Subestação SDEU.
A seção de conclusões não é obrigatória. Embora esta possa rever os pontos principais do artigo, não duplique o resumo como conclusão. A conclusão deve discorrer sobre a importância do trabalho ou sugerir aplicações e extensões. B. Barra 1 da Subestação SDEU Com relação à Barra 1, a Tabela II apresenta alguns dados sobre a mesma. TABELA II DADOS REFERENTES À BARRA 1 DA SUBESTAÇÃO SDEU. Nome Subestação Número da Barra Tensão Nominal (KV) Curto-Circuito Trifásico (A) Curto-Circuito Fase-Fase (A) Curto-Circuito Fase-Terra (A) Ângulo de Curto-Circuito Trifásico Ângulo de Curto-Circuito Fase-Fase Ângulo de Curto-Circuito Fase-Terra Tensão Horário de Ponta (KV) Tensão Horário Fora de Ponta (KV) Resistência de sequencia de 0 (Ohms/km) Reatância de sequencia de 0 (Ohms/km) Resistência de sequencia de 1 (Ohms/km) Reatância de sequencia de 1 (Ohms/km) Demanda Fase A (MVA) Demanda Fase B (MVA)
SDEU 1 13.8 6665 5775 6919 -88.2 -88.2 -88.8 14.4 14.2 0 0 0 0 5.441 5.378
Nome Subestação Número da Barra Transformador Potência Nominal (KVA) Corrente Admissível (A) Corrente Nominal (A) Tensão Primária (KV) Tensão Secundária (KV) Potencia Admissível (KVA) Estado de Operação Fabricante Tipo Tolerância (%KV) Resistência (P.U.) Reatância (P.U.) Demanda Fase A (MVA) Demanda Fase B (MVA) Demanda Fase C (MVA) Demanda Total Carga Distribuída (MVA) Carga Primária (MVA) Carga Rural (MVA) Carga Total (MVA) Consumidores Distribuídos Consumidores Primários Consumidores Rurais Total de Consumidores
SDEU 1 T1 25000 1456 1047 138 13.8 34750 Em Serviço TOSHIBA (TOSHIBA-IMAN) Regulado 0 0 0 5.441 5.378 5.688 16.508 37.167 7.780 9.534 54.481 23791 28 1150 24969
De acordo com os dados da Barra 1, pode-se concluir que a mesma possui um Total de Consumidores 24969 e uma Carga Total de 54.481 (MVA). Com isso tem-se um Total de 0.0022 (MVA)/consumidor na Barra 1. C. Barra 2 da Subestação SDEU Agora com relação à Barra 2, a Tabela IV apresenta alguns dados sobre a mesma. TABELA IV DADOS REFERENTES À BARRA 2 DA SUBESTAÇÃO SDEU. Nome Subestação Número da Barra Tensão Nominal (KV) Curto-Circuito Trifásico (A)
SDEU 2 13.8 6787
Curto-Circuito Fase-Fase (A) Curto-Circuito Fase-Terra (A) Ângulo de Curto-Circuito Trifásico Ângulo de Curto-Circuito Fase-Fase Ângulo de Curto-Circuito Fase-Terra Tensão Horário de Ponta (KV) Tensão Horário Fora de Ponta (KV) Resistência de sequencia de 0 (Ohms/km) Reatância de sequencia de 0 (Ohms/km) Resistência de sequencia de 1 (Ohms/km) Reatância de sequencia de 1 (Ohms/km) Demanda Fase A (MVA) Demanda Fase B (MVA) Demanda Fase C (MVA) Demanda Total (MVA) Carga Distribuída (MVA) Carga Primária (MVA) Carga Rural (MVA) Carga Total (MVA) Consumidores Distribuídos Consumidores Primários Consumidores Rurais Total de Consumidores
5881 7051 -88.2 -88.2 -88.8 14.4 14.2 0 0 0 0 5.441 5.378 5.688 16.508 37.167 7.780 9.534 54.481 23791 28 1150 24969
Para o Trafo da Barra 2, a Tabela V apresenta os dados do transformador. TABELA V DADOS REFERENTES AO TRANSFORMADOR DA BARRA 2. Nome Subestação Número da Barra Transformador Potência Nominal (KVA) Corrente Admissível (A) Corrente Nominal (A) Tensão Primária (KV) Tensão Secundária (KV) Potencia Admissível (KVA) Estado de Operação Fabricante Tipo Tolerância (%KV) Resistência (P.U.) Reatância (P.U.) Demanda Fase A (MVA) Demanda Fase B (MVA) Demanda Fase C (MVA) Demanda Total Carga Distribuída (MVA) Carga Primária (MVA) Carga Rural (MVA) Carga Total (MVA) Consumidores Distribuídos Consumidores Primários Consumidores Rurais Total de Consumidores
SDEU 2 T2 25000 1539 1047 138 13.8 36750 Em Serviço ITEL Regulado 0 0 0 7.696 7.959 7.569 23.225 37.328 8.278 35.693 81.299 27610 30 4003 31643
(MVA)/consumidor na Barra 2. VI. CONCLUSÃO O Brasil é um país que pode se dizer, bem servido em relação a fontes alternativas de energia. Com relação às Usinas, existem inúmeras maneiras de geração de energia, porém pode-se notar uma não linearidade na operação do Sistema de Energia Interligado do país. A geração oriunda por Usinas Hidrelétricas predominam o Sistema Energético. As Linhas de Transmissão no país possuem mais de 107 mil quilômetros de extensão, fazendo a interligação de toda Rede do SIN. Em Minas Gerais, a CEMIG está desenvolvendo projetos para monitoramento inteligente da rede, de modo com que ajude também na manutenção das Linhas. Com relação ao Sistema de Distribuição da Energia no país pode-se observar que é um dos pontos focais do Sistema Energético, pois é a etapa onde a energia é levada ao usuário final, ou seja, aos consumidores. Empresas públicas e privadas são responsáveis por essa distribuição sendo as subestações as unidades que realizam a ação de redução na tensão de transmissão para uma tensão de distribuição. O setor ainda é responsável pela tarifação, no qual a parte econômica de todo o sistema é introduzida. Com o estudo de caso, analisando o cenário da Subestação SDEU da cidade de São João Del Rei, foi possível interpretar uma minuciosa diferença na relação de carga por consumidor da Barra 1 e da Barra 2, podendo até mesmo dizer que foram alcançados valores correspondentes. A cidade é atendida pelo SIN, onde tem uma parte da sua energia sendo proveniente de uma Usina Hidrelétrica próxima à cidade, a Usina de Itutinga. REFERÊNCIAS [1]
[2] [3]
[4] [5]
[6]
[7]
[8]
[9]
De acordo com os dados da Barra 2, pode-se concluir que a mesma possui um Total de Consumidores 31643 e uma Carga Total de 81.299 (MVA). Com isso tem-se um Total de 0.0026
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[10] Torres de Transmissão de Energia, PORTAL METÁLICA – INFORMAÇÃO E NEGÓCIOS EM UM CLIQUE. Disponível em: . Acesso em: 02 nov 2013 [11] Redes de Energia Elétrica, ABRADEE – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE DISTRIBUIDORES DE ENERGIA ELÉTRICA. Disponível em: . Acesso em: 02 nov 2013 [12] A distribuição de energia, ABRADEE – ASSOCIAÇÃO BRASILIERA DE DISTRIBUIDORES DE ENERGIA ELÉTRICA. Disponível em: . Acesso em: 02 nov 2013 [13] T. H. Y. Oda, “Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica”, UNOPAR – UNIVERSIDADE NORTE DO PARANÁ. Disponível em: . Acesso em: 02 nov 2013 [14] Entenda como a energia elétrica chega à sua casa, PORTAL BRASIL. Disponível em: . Acesso em: 02 nov 2013 [15] A Tarifa de Energia, ABRADEE – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE DISTRIBUIDORES DE ENERGIA ELÉTRICA. Disponível em: . Acesso em: 02 nov 2013 [16] Smart grid é o futuro certo da distribuição de energia elétrica?, PORTAL O SETOR ELÉTRICO. Disponível em: . Acesso em: 02 nov 2013
Guilherme Kazama Tsujigushi nasceu em Presidente Prudente, SP, em 5 de maio de 1990. Graduando do curso de Engenharia Elétrica pelo Instituto Nacional de Telecomunicações (Inatel) de Santa Rita do Sapucaí.
Marcos Antônio de Almeida Maia Júnior nasceu em Itajubá, MG, em 3 de maio de 1991. Graduando do curso de Engenharia Elétrica pelo Instituto Nacional de Telecomunicações (Inatel) de Santa Rita do Sapucaí.
Renan Dotta Pereira Consoli nasceu em Itajubá, MG, em 12 de abril de 1991. Graduando do curso de Engenharia Elétrica pelo Instituto Nacional de Telecomunicações (Inatel) de Santa Rita do Sapucaí.
Victor Ferreira Almeida Mota nasceu em Montes Claros, MG, em 14 de maio de 1991. Graduando do curso de Engenharia Elétrica pelo Instituto Nacional de Telecomunicações (Inatel) de Santa Rita do Sapucaí.
