TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÈTRICA

 

TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÈTRICA

                                    USINA GERADORA DE ENERGIA ELETRICA

                                    Sabemos que a energia elétrica utilizada em nossas casas, nas indústrias etc. ,chega até nós por meio de uma corrente alternada. Essa corrente é produzida nas grandes centrais elétricas por geradores que funcionam de maneira semelhante.

                                    Estes geradores nada mais são do que dispositivos que transformam uma forma de qualquer de energia em energia elétrica. Em um usina hidrelétrica  por exemplo  a energia mecânica da queda-d´água é aproveitada para colocar o gerador em rotação e , portanto, nesta usina temos a transformação de energia mecânica em energia elétrica. Nas usinas termoelétricas, o gerador é acionado pelo vapor d´água que sai de uma caldeira aquecida. Para aquecer esta  caldeira, utiliza-se o calor produzido na combustão de óleo ou carvão e, assim , nesta usina, termos a transformação de energia térmica em energia elétrica, as usinas nucleares funcionam da mesma maneira que uma usina termoelétrica, com a usina diferença de que o calor utilizado para produzir o vapor que aciona o gerador é obtido por meio de reações nucleares que se desenvolvem em um reator atômico . Portanto, nestas usinas, temos a transformação de energia nuclear em energia elétrica.

                                    POR QUE A TRANSMISSÃO DA ENERGIA ELETRIA É FEITA COM ALTA VOLTAGEM

                                    Qualquer que seja o tipo de usina escolhido produção de energia elétrica, em qualquer parte do mundo, ela será sempre construída para gerar corrente alternada. Procuraremos mostrar, a seguir, o motivo desta escolha, isto é, por que não se usa a corrente continua para distribuir a energia elétrica produzida nas grandes usinas de qualquer país.

                                    O motivo preponderante desta escolha esta relacionada com as perdas de energia, por efeito Joule, que ocorrem nos fios que transportam a corrente elétrica a longas distancias. Para analisar este fato, na qual um gerador produz corrente elétrica, u é transformada pelo fios, para ser utilizada na rede elétrica de um residência. Sendo V_AB  a voltagem entre os pólos do gerador e i a corrente entre nos fios, a potencia fornecia pelo gerador é P₁ = iV_AB. Mas, sendo r a resistência total dos  fios transportadores , a potencia desenvolvida nestes fios sob a forma de calor ( efeito Joule) será P₂ = r i² .Assim, a potencia P, que é recebida na residência, será

                                                                       P = P₁- P₂         OU  P = iV_AB – r i²

 

                                    É evidente que a perda por efeito Joule nos fios (P₂ = r i²) deve ser a menor  possível, Para isso, deveríamos procurar diminuir os valor de r e de i. O valor de r só pode ser diminuído se for aumentada a área da secção reta dos fios, isto é  usando-se fios mais grossos. Entretanto, existe um limite para este procedimento, pois cabos muito grosso, além de terem custo elevado tronariam a rede de transmissão extremamente pesada. Assim  solução mais adequada é procurar reduzir a valor da corrente i a ser transmitida, Como a potencia P₁ = iV_AB , fornecida pelo gerador  não pode sofrer alteração, se o valor de i for reduzido o valor da corrente i a ser transmitida. Como a potencia P₁ = iV_AB, fornecida pelo gerado, não pode sofre alteração, se o valor de i for reduzida, teremos de aumentar o valor de V_AB de ,modo a manter inalterado o valor desta potencia, Concluirmos assim quem para reduzir as perdas por aquecimento nos fios transportados e alta voltagem.

                                    Esta é exatamente a solução adotada pelo engenheiros eletricistas ao projetarem as linhas de transmissão. O valor da alta voltagem em cada caso depende da potencia a ser transmitida e da distancia entre a usina e a usina e o local de consumo. Assim, são usadas voltagens de 100 000 V, 250 000 V, 480 000 V etc. e, atualmente, já são projetadas transmissões com até 1 000 000 V, Não é possível, entretanto, elevar indefinidamente o valor destas altas voltagens, porque acima de certos valores o ar em volta do fio torna-se condutor, permitindo o escoamento de eletricidade, o que constituiria outra forma de perda de potencia.

 

A VOLTAGEM ALTERNADA PODE SER FACILMENTE ELEVADA OU REDUZIDA

                                    As altas voltagens necessárias para a transmissão de energia elétrica não podem ser fornecidas diretamente por um gerador, seja de  corrente alternada, seja de corrente contínua. De fato, os maiores geradores das grandes usinas fornecem voltagem em torno de 10 000 V. Então, torne-se necessário, para a transmissão, elevar consideravelmente os valores das voltagens fornecidas pelos geradores.

                                    Se o gerador fosse de corrente contínua, não haveria condições de resolver este problema, pois, um elevador de voltagem, isto é, um transformado e, não funciona com corrente contínua. Por outro lado, se o gerador for de corrente alternada, será relativamente fácil  elevar a voltagem produzida usando-se aquele aparelho, Além disso, devemos nos lembrar de que, ao chegar nos centros de consumo, a alta voltagem deverá ser consumidor receber em sua casa voltagens de calores tão elevados como aqueles da transmissão. Com a escolha de corrente alternada, este problema também é facilmente resolvido com um transformador, que passa agora a reduzir os valores da alta voltagem.

                                    Esta facilidade de elevar ou reduzir uma voltagem alternada é o fator preponderante que levou os engenheiros a darem preferencia aos sistemas de produção, transmissão e distribuição d energia elétrica por meio de corrente alternada.

 

 

 

A UTILIDADE DO TRANSFORMADOR NA TRANSMISSÃO DA ENERGIA ELETRICA

                                    A distribuição de energia tem as sucessivas transformações de voltagem que ocorrem deste a geração na usina até sua utilização pelo consumidor.

                                    Observe que logo após a voltagem alternada ser produzida em um gerador ( cerca de 10 000 V), o valor é elevado ( para 300 000 V, por exemplo) por meio de transformadores existentes na subestação próxima à usina. Com esta alta voltagem, a energia elétrica é transportada  a longas distancias até chegar no centro consumidor ( uma cidade, por exemplo) , nas proximidades do qual se localiza um outra subestação. Neste local, os transformadores reduzem a voltagem para valores ( cerca de 13 000 V) com os quais ela é distribuída aos consumidores industrias e pelas ruas da cidade. Finalmente, nas proximidades das resistências existem transformadores ( Nos postes da rua) que reduzem ainda mais a voltagem ( para 110 V ou 220 V), de modo que ela possa ser utilizada, sem risco, pelo consumidor residencial.

 

VOLTAGEM DE PICO E VOLTAGEM EFICAZ

                                    Portanto, a voltagem que recebemos em nossas residências, proveniente do transformador de rua, é uma voltagem alternada, isto é, o seu sentido é invertido periodicamente. Como já dissemos, esta inversões de sentido são muito rápida, pois  a sua frequência é de 60 Hertz isto é, a voltagem muda de sentido 120 vezes por segundo.

                                    Em um gráfico pode-se  mostrar que a voltagem não é constante, como acontece com uma corrente contínua. O seu valor varia rapidamente: passa por um valor máximo, decresce, chega a zero, inverte de sentido, atinge um valor igual ao valor máximo, porém em sentido contrário , torna a se anular e assim sucessivamente.

                                    O valor máximo atingido pela voltagem alternada é denominado valor de pico. Entretanto, quando fornecemos o valor de uma voltagem alternada, estamos normalmente nos referindo não á voltagem de pico, mas a uma quantidade de denominada valor eficaz da voltagem, Este valor eficaz seria o valor de uma voltagem constante (continua) que dissipasse, durante o tempo de um período, em uma resistência R , a mesma energia térmica que é dissipa em R pela voltagem alternada, durante o mesmo o intervalo de tempo. Pode-se mostrar que entre a voltagem eficaz e a voltagem de pico existe a seguinte relação.

                                              

                                                 V ( eficaz ) = TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÈTRICA

                                    USINA GERADORA DE ENERGIA ELETRICA

                                    Sabemos que a energia elétrica utilizada em nossas casas, nas indústrias etc. ,chega até nós por meio de uma corrente alternada. Essa corrente é produzida nas grandes centrais elétricas por geradores que funcionam de maneira semelhante.

                                    Estes geradores nada mais são do que dispositivos que transformam uma forma de qualquer de energia em energia elétrica. Em um usina hidrelétrica  por exemplo  a energia mecânica da queda-d´água é aproveitada para colocar o gerador em rotação e , portanto, nesta usina temos a transformação de energia mecânica em energia elétrica. Nas usinas termoelétricas, o gerador é acionado pelo vapor d´água que sai de uma caldeira aquecida. Para aquecer esta  caldeira, utiliza-se o calor produzido na combustão de óleo ou carvão e, assim , nesta usina, termos a transformação de energia térmica em energia elétrica, as usinas nucleares funcionam da mesma maneira que uma usina termoelétrica, com a usina diferença de que o calor utilizado para produzir o vapor que aciona o gerador é obtido por meio de reações nucleares que se desenvolvem em um reator atômico . Portanto, nestas usinas, temos a transformação de energia nuclear em energia elétrica.

                                    POR QUE A TRANSMISSÃO DA ENERGIA ELETRIA É FEITA COM ALTA VOLTAGEM

                                    Qualquer que seja o tipo de usina escolhido produção de energia elétrica, em qualquer parte do mundo, ela será sempre construída para gerar corrente alternada. Procuraremos mostrar, a seguir, o motivo desta escolha, isto é, por que não se usa a corrente continua para distribuir a energia elétrica produzida nas grandes usinas de qualquer país.

                                    O motivo preponderante desta escolha esta relacionada com as perdas de energia, por efeito Joule, que ocorrem nos fios que transportam a corrente elétrica a longas distancias. Para analisar este fato, na qual um gerador produz corrente elétrica, u é transformada pelo fios, para ser utilizada na rede elétrica de um residência. Sendo V_AB  a voltagem entre os pólos do gerador e i a corrente entre nos fios, a potencia fornecia pelo gerador é P₁ = iV_AB. Mas, sendo r a resistência total dos  fios transportadores , a potencia desenvolvida nestes fios sob a forma de calor ( efeito Joule) será P₂ = r i² .Assim, a potencia P, que é recebida na residência, será

                                                                       P = P₁- P₂         OU  P = iV_AB – r i²

 

                                    É evidente que a perda por efeito Joule nos fios (P₂ = r i²) deve ser a menor  possível, Para isso, deveríamos procurar diminuir os valor de r e de i. O valor de r só pode ser diminuído se for aumentada a área da secção reta dos fios, isto é  usando-se fios mais grossos. Entretanto, existe um limite para este procedimento, pois cabos muito grosso, além de terem custo elevado tronariam a rede de transmissão extremamente pesada. Assim  solução mais adequada é procurar reduzir a valor da corrente i a ser transmitida, Como a potencia P₁ = iV_AB , fornecida pelo gerador  não pode sofrer alteração, se o valor de i for reduzido o valor da corrente i a ser transmitida. Como a potencia P₁ = iV_AB, fornecida pelo gerado, não pode sofre alteração, se o valor de i for reduzida, teremos de aumentar o valor de V_AB de ,modo a manter inalterado o valor desta potencia, Concluirmos assim quem para reduzir as perdas por aquecimento nos fios transportados e alta voltagem.

                                    Esta é exatamente a solução adotada pelo engenheiros eletricistas ao projetarem as linhas de transmissão. O valor da alta voltagem em cada caso depende da potencia a ser transmitida e da distancia entre a usina e a usina e o local de consumo. Assim, são usadas voltagens de 100 000 V, 250 000 V, 480 000 V etc. e, atualmente, já são projetadas transmissões com até 1 000 000 V, Não é possível, entretanto, elevar indefinidamente o valor destas altas voltagens, porque acima de certos valores o ar em volta do fio torna-se condutor, permitindo o escoamento de eletricidade, o que constituiria outra forma de perda de potencia.

 

A VOLTAGEM ALTERNADA PODE SER FACILMENTE ELEVADA OU REDUZIDA

                                    As altas voltagens necessárias para a transmissão de energia elétrica não podem ser fornecidas diretamente por um gerador, seja de  corrente alternada, seja de corrente contínua. De fato, os maiores geradores das grandes usinas fornecem voltagem em torno de 10 000 V. Então, torne-se necessário, para a transmissão, elevar consideravelmente os valores das voltagens fornecidas pelos geradores.

                                    Se o gerador fosse de corrente contínua, não haveria condições de resolver este problema, pois, um elevador de voltagem, isto é, um transformado e, não funciona com corrente contínua. Por outro lado, se o gerador for de corrente alternada, será relativamente fácil  elevar a voltagem produzida usando-se aquele aparelho, Além disso, devemos nos lembrar de que, ao chegar nos centros de consumo, a alta voltagem deverá ser consumidor receber em sua casa voltagens de calores tão elevados como aqueles da transmissão. Com a escolha de corrente alternada, este problema também é facilmente resolvido com um transformador, que passa agora a reduzir os valores da alta voltagem.

                                    Esta facilidade de elevar ou reduzir uma voltagem alternada é o fator preponderante que levou os engenheiros a darem preferencia aos sistemas de produção, transmissão e distribuição d energia elétrica por meio de corrente alternada.

 

 

 

A UTILIDADE DO TRANSFORMADOR NA TRANSMISSÃO DA ENERGIA ELETRICA

                                    A distribuição de energia tem as sucessivas transformações de voltagem que ocorrem deste a geração na usina até sua utilização pelo consumidor.

                                    Observe que logo após a voltagem alternada ser produzida em um gerador ( cerca de 10 000 V), o valor é elevado ( para 300 000 V, por exemplo) por meio de transformadores existentes na subestação próxima à usina. Com esta alta voltagem, a energia elétrica é transportada  a longas distancias até chegar no centro consumidor ( uma cidade, por exemplo) , nas proximidades do qual se localiza um outra subestação. Neste local, os transformadores reduzem a voltagem para valores ( cerca de 13 000 V) com os quais ela é distribuída aos consumidores industrias e pelas ruas da cidade. Finalmente, nas proximidades das resistências existem transformadores ( Nos postes da rua) que reduzem ainda mais a voltagem ( para 110 V ou 220 V), de modo que ela possa ser utilizada, sem risco, pelo consumidor residencial.

 

VOLTAGEM DE PICO E VOLTAGEM EFICAZ

                                    Portanto, a voltagem que recebemos em nossas residências, proveniente do transformador de rua, é uma voltagem alternada, isto é, o seu sentido é invertido periodicamente. Como já dissemos, esta inversões de sentido são muito rápida, pois  a sua frequência é de 60 Hertz isto é, a voltagem muda de sentido 120 vezes por segundo.

                                    Em um gráfico pode-se  mostrar que a voltagem não é constante, como acontece com uma corrente contínua. O seu valor varia rapidamente: passa por um valor máximo, decresce, chega a zero, inverte de sentido, atinge um valor igual ao valor máximo, porém em sentido contrário , torna a se anular e assim sucessivamente.

                                    O valor máximo atingido pela voltagem alternada é denominado valor de pico. Entretanto, quando fornecemos o valor de uma voltagem alternada, estamos normalmente nos referindo não á voltagem de pico, mas a uma quantidade de denominada valor eficaz da voltagem, Este valor eficaz seria o valor de uma voltagem constante (continua) que dissipasse, durante o tempo de um período, em uma resistência R , a mesma energia térmica que é dissipa em R pela voltagem alternada, durante o mesmo o intervalo de tempo. Pode-se mostrar que entre a voltagem eficaz e a voltagem de pico existe a seguinte relação.

                                              

                                          V ( eficaz ) = V (depois)/ √2

Então, para o caso, o valor da voltagem eficaz é V( eficaz) = 154/√2 = 154/1,4   ou    V( eficaz) = 110V.

                                    Portanto, a representação exatamente a voltagem nas tomadas elétricas das resistências em um grande número de cidades, nas quais o valor eficaz é 110 V e o  valor de pico é 154 V.

 

O FIO NEUTRO E Os FIOS DE FASE

                                    Como usualmente a voltagem obtida no transformador de rua é transferida para uma residência, Isto é feito por meio de três fios: um deles, denominado fio e neutro,  sai do ponto central do secundário do transformador que esta  ligado à Terra; outros dois são denominados fios de fase  e saem dos pontos extremos deste secundários. Entre cada fase  e o neutro  existe uma voltagem eficaz de 110 V, Assim temos V =110 V e V = 110 V. Entre as duas fase  há uma voltagem eficaz de 220 V. Entre m na residência , é possível instalar tomadas de 110 V ( usando-se uma fase e um neutro) e tomada de 220 V ( usando-se as duas fases).

                                    Em algumas instalações elétricas, entretanto, a resistência é ligada ai transformador de rua apenas por uma das fases e pelo neutro, É claro que nestas residências só poderão ser instaladas tomadas 110 V.

 

LINHAS DE TRANSMISSÃO COM CORRENTE CONTÍNUA

 

                                    Nos últimos tempos, têm surgido algumas novidades relacionadas com a transmissão de energia elétrica as longas distancia. Os engenheiros e técnicas têm constado que, para transmissões a distancias superiores a cerca de 500 km, a corrente contínua mostra-se mais vantajosa do que a corrente alternada Isto ocorre principalmente pelos motivos que analisaremos a seguir.

                                    Sabe-se que o método mais adequado para transmitir corrente alternada é o sistema denominado trefásico, que utiliza três cabos ligando os dois pontos de transmissão ( observe o sistema de alta vantagem nos postes de rua, que é exatamente este).Por outro lado, um sistema de transmissão por corrente contínua necessita de apenas dois cabos. Portanto , o custo dos cabos de uma linha de transmissão com corrente contínua seria apenas 2/3 daquele que se tem em um linha de corrente alternada. Além disso, pode-se mostrar que, para se obter a mesma perda por efeito Joule , os cabos em corrente alternada teriam que ser mais grossos do que em corrente continua. Este fato acarretaria um custo ainda menor da linha com corrente contínua.

                                    Entretanto, apenas destas vantagens, a corrente contínua apresenta alguns inconvenientes, pois sua voltagens não pode ser transformada facilmente como já sabemos. Assim, para transmissão em corrente contínua, os geradores devem ainda ser de voltagem alternada, e só depois que esta voltagem é aumentada por meio dos transformadores é que ela é retificada para ser transmitida. Ao chegar ao local de consumo, a corrente contínua deve ser transformada novamente em corrente alternada para sua voltagem possa ser reduzida antes de ser distribuída. È claro que todas estas  operações implicam custos, de modo que apenas para transmissão a longas distancias as economias feitas com os cabos poderão compensar estes custos . Em países de grandes dimensões, como a Rússia, os Estado Unidos e o Brasil, essas condições são fácies de ocorrer e por isso mesmo, o sistema de transmissão com corrente contínua já se encontra em implantação nestes países.

                                   

Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006

 (depois)/ √2

Então, para o caso, o valor da voltagem eficaz é V( eficaz) = 154/√2 = 154/1,4   ou    V( eficaz) = 110V.

                                    Portanto, a representação exatamente a voltagem nas tomadas elétricas das resistências em um grande número de cidades, nas quais o valor eficaz é 110 V e o  valor de pico é 154 V.

 

O FIO NEUTRO E OS FIOS DE FASE

                                    Como usualmente a voltagem obtida no transformador de rua é transferida para uma residência, Isto é feito por meio de três fios: um deles, denominado fio e neutro,  sai do ponto central do secundário do transformador que esta  ligado à Terra; outros dois são denominados fios de fase  e saem dos pontos extremos deste secundários. Entre cada fase  e o neutro  existe uma voltagem eficaz de 110 V, Assim temos V =110 V e V = 110 V. Entre as duas fase  há uma voltagem eficaz de 220 V. Entre m na residência , é possível instalar tomadas de 110 V ( usando-se uma fase e um neutro) e tomada de 220 V ( usando-se as duas fases).

                                    Em algumas instalações elétricas, entretanto, a resistência é ligada ai transformador de rua apenas por uma das fases e pelo neutro, É claro que nestas residências só poderão ser instaladas tomadas 110 V.

 

LINHAS DE TRANSMISSÃO COM CORRENTE CONTÍNUA

 

                                    Nos últimos tempos, têm surgido algumas novidades relacionadas com a transmissão de energia elétrica as longas distancia. Os engenheiros e técnicas têm constado que, para transmissões a distancias superiores a cerca de 500 km, a corrente contínua mostra-se mais vantajosa do que a corrente alternada Isto ocorre principalmente pelos motivos que analisaremos a seguir.

                                    Sabe-se que o método mais adequado para transmitir corrente alternada é o sistema denominado trefásico, que utiliza três cabos ligando os dois pontos de transmissão ( observe o sistema de alta vantagem nos postes de rua, que é exatamente este).Por outro lado, um sistema de transmissão por corrente contínua necessita de apenas dois cabos. Portanto , o custo dos cabos de uma linha de transmissão com corrente contínua seria apenas 2/3 daquele que se tem em um linha de corrente alternada. Além disso, pode-se mostrar que, para se obter a mesma perda por efeito Joule , os cabos em corrente alternada teriam que ser mais grossos do que em corrente continua. Este fato acarretaria um custo ainda menor da linha com corrente contínua.

                                    Entretanto, apenas destas vantagens, a corrente contínua apresenta alguns inconvenientes, pois sua voltagens não pode ser transformada facilmente como já sabemos. Assim, para transmissão em corrente contínua, os geradores devem ainda ser de voltagem alternada, e só depois que esta voltagem é aumentada por meio dos transformadores é que ela é retificada para ser transmitida. Ao chegar ao local de consumo, a corrente contínua deve ser transformada novamente em corrente alternada para sua voltagem possa ser reduzida antes de ser distribuída. È claro que todas estas  operações implicam custos, de modo que apenas para transmissão a longas distancias as economias feitas com os cabos poderão compensar estes custos . Em países de grandes dimensões, como a Rússia, os Estado Unidos e o Brasil, essas condições são fácies de ocorrer e por isso mesmo, o sistema de transmissão com corrente contínua já se encontra em implantação nestes países.

                                   

Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006