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Princípio básico de funcionamento de um transformador

Os transformadores desempenham um papel fundamental no sistema elétrico de potência, atuando como protagonistas essenciais. Eles são responsáveis por ajustar os níveis de tensão da energia elétrica produzida nas usinas para que possa ser transmitida de maneira eficiente e segura através das linhas de transmissão. Além disso, os transformadores também desempenham um papel crucial na distribuição de energia elétrica. Eles reduzem a tensão para níveis que podem ser usados com segurança em residências e empresas. Isso garante que a energia elétrica chegue aos consumidores finais de maneira segura e eficiente.

Distribuição de energia elétrica
Fonte: brgfx / Freepik

Descobertas que contribuíram para o desenvolvimento do transformador

Faraday, em 1831, percebeu que é possível gerar tensão elétrica através do movimento relativo entre um condutor e um campo magnético, sem que haja a necessidade de contato físico entre os elementos. A Lei de Lenz, posteriormente formulada, estabeleceu que tanto o movimento resultante de uma força mecânica, quanto o fluxo magnético concatenado, podem induzir uma tensão elétrica.

Essa tensão, quando em um circuito fechado, produz uma corrente cujo campo magnético tende a se opor à variação do fluxo magnético que a gerou. Além disso, a tensão induzida será diretamente proporcional ao número de espiras de fio da bobina que possuem o mesmo fluxo passando sobre elas e a taxa de variação do fluxo em relação ao tempo. E o seu sinal será negativo devido a expressão da lei de Lenz. Na forma de equação, temos

    \[e_{ind} = -N\frac{d\phi}{dt}\]

em que
e_{ind} = tensão induzida na bobina
N = número de espiras de fio da bobina
\phi = fluxo que passa através da bobina

Princípio de funcionamento de transformador ideal

O princípio de funcionamento de um transformador baseia-se na aplicação desses conceitos citados anteriormente. Através de um campo magnético variável no tempo, induz-se uma tensão em uma bobina quando esse campo a atravessa. E em um transformador típico, existem duas bobinas, a primária e a secundária. Quando uma corrente alternada é aplicada à bobina primária, ela cria um campo magnético variável que induz uma tensão nos terminais da bobina secundária. Com isso, o transformador é capaz de transferir a energia, por meio de indução eletromagnética, do primário para o secundário.

Desenho de um transformador ideal
Fonte: Autoria própria

No secundário do transformador, a frequência permanece a mesma, porém, a corrente e a tensão mudam, sendo a magnitude de ambas dependentes da relação entre número de espiras do primário e do secundário.

Então, considerando um transformador ideal, que não possui perdas em seus enrolamentos de entrada e saída. A relação entre a tensão vp(t) aplicada no lado do enrolamento primário do transformador e a tensão vs(t) produzida no lado do secundário é

    \[\frac{v_p(t)}{v_s(t)} = \frac{N_S}{N_p} = a\]

Onde a é definido a relação de espiras ou relação de transformação do transformador:

    \[a = \frac{N_p}{N_s}\]

A relação entre a corrente ip(t) que entra no lado primário do transformador e a corrente is(t) que sai do lado secundário do transformador é

    \[N_pi_p(t) = N_si_s(t)\]

ou

    \[\frac{i_p(t)}{i_s(t)}= \frac{1}{a}\]

Existem dois tipos de transformadores: os abaixadores e os elevadores de tensão. O transformador abaixador de tensão é aquele em que a tensão no secundário é menor do que a tensão no primário. O transformador elevador de tensão é aquele em que a tensão no secundário é maior do que a tensão no primário. Os transformadores elevadores são normalmente usados para elevar os níveis de tensão produzidos nas usinas para as linhas de transmissão, enquanto os abaixadores são bastante utilizados para reduzir os níveis de tensão para o consumo.

A potência do transformador ideal

A potência ativa de entrada Pentrada fornecida ao transformador pelo circuito primário é dada pela equação

    \[P_{entrada} = V_pI_pcos\theta_p\]

\theta_p = o ângulo entre a tensão primária e a corrente primária

Por outro lado, a potência ativa Psaída fornecida pelo circuito secundário do transformador à sua carga é dada pela equação

    \[P_{saída}  =  V_{s}I_{s}cos\theta_{s}\]

\theta_{s} = o ângulo entre a tensão secundária e a corrente secundária

Como, em transformador ideal, o fator de potência não muda do primário para o secundário, o ângulo entre a tensão e a corrente também não se altera, então

    \[P_{saída} = V_{s}I_{s}cos\theta_{s} = P_{entrada}\]

Logo, a potência de um transformador ideal é igual tanto na saída quanto na entrada.

Conclusão

Em suma, os transformadores desempenham um papel crucial no sistema elétrico de potência ao ajustar os níveis de tensão. Além disso, eles são essenciais na distribuição de energia, reduzindo a tensão para uso seguro em residências e empresas. Os transformadores podem ser abaixadores ou elevadores de tensão, sendo os primeiros usados para consumo e os segundos para transmissão de energia das usinas para as linhas de transmissão.
Neste artigo, foi feito um breve resumo do princípio de funcionamento de um transformador, com foco nos transformadores ideais. Para aprofundar ainda mais o assunto, recomendo a leitura dos livros listados nas referências e também da nossa apostila sobre transformadores. No futuro, mais conceitos serão abordados através de outros artigos.

Referências

ALEXANDER, C. K.; SADIKU, M. Fundamentos de Circuitos Elétricos. [s.l: s.n.].

CHAPMAN, S. J. Fundamentos de Máquinas Elétricas – 5ed. [s.l.] AMGH Editora, 2013.

KOSOW, I. L. Electric Machinery and Transformers. [s.l.] Pearson Educación, 1991.

MENEZES, M.; VERGNE, M. APOSTILA DE TRANSFORMADORES SISTEMAS DE POTÊNCIA. [s.l.] Grupo de Sistemas Elétricos de Potência Integrados, [s.d.].

História da eletricidade do Brasil: quais foram os primeiros passos?

O passo inicial para a introdução da energia elétrica em nosso país é resultado do apreço de D. Pedro II com a cultura e, principalmente, com a ciência. Isso porque o então imperador do Brasil, em sua segunda viagem internacional, decide visitar a exposição universal de 1876 na Filadélfia, que reunia novidades dos campos das artes, cultura e ciência. Nesse cenário, D. Pedro II autorizou que Thomas Edison introduzisse suas invenções no Brasil, além de protagonizar o memorável episódio com Alexander  Graham  Bell, em que o imperador testa pela primeira vez a invenção do telefone.

Assim, em 1879 é implementado o primeiro sistema de iluminação a partir de energia elétrica no Brasil, com seis lâmpadas do tipo Jablockhov na Estação Central da Estrada de Ferro D. Pedro II (atual Estrada de Ferro Central do Brasil) no Rio de Janeiro, acionadas por dois dínamos movidos por máquinas a vapor. Após esse pontapé inicial, elencamos os seguintes marcos da iluminação pública brasileira:

  • Em 1883, D. Pedro II inaugurou o primeiro sistema de iluminação pública elétrico da América do Sul, na cidade de Campos (RJ), contando com 39 lâmpadas acionadas por dínamos.
  • Porto Alegre é a primeira capital do Brasil a implementar um sistema de iluminação pública elétrica em 1887. Também, no mesmo ano, foi implementado um sistema na capital do Rio de Janeiro com cerca de 100 lâmpadas. Alimentados por termelétricas.

Figura 1: Estrada de Ferro Central do Brasil (1889) 

Fonte: Marc Ferrez/Coleção Gilberto Ferrez/Acervo Instituto Moreira Salles

Outra exposição universal é decisiva para a história da energia elétrica no Brasil, a exposição universal de 1878 em Paris, após visita-la Bernardo Mascarenhas decide criar a primeira usina hidrelétrica de maior porte (250 kW), considerando os padrões da época, da América do Sul – Marmelos Zero – com objetivo de suprir sua fábrica têxtil (Companhia Têxtil Bernardo Mascarenhas) e a iluminação pública de Juiz de Fora (MG). Marmelos é inaugurada em 1889, fazendo parte da Companhia Mineira de Eletricidade, fundada em 1888.

É importante ressaltar, que já havia sido construída outra usina hidrelétrica de menor porte em Diamantina (MG) em 1883, porém voltada a suprir o maquinário empregado na mineração de diamantes em uma mina da cidade.

Figura 2: Marmelos Zero (Atual, Museu Usina Marmelos Zero) 

A usina foi construída em 1889 pela Companhia Mineira de Eletricidade por iniciativa de Bernardo Mascarenhas — Foto: Cemig/Divulgação

Fonte: Cemig/Divulgação

A fim de compreender mais profundamente os próximos desenvolvimentos do sistema elétrico brasileiro, há de se lembrar que o fim do império do Brasil aconteceu em 1889, dando lugar ao período da República Velha (1889-1930) que durante todo seu período não fixou uma legislação federal sólida sobre os serviços de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Portanto, a autorização para exploração de recursos energéticos era concedida pelos próprios municípios, ou em certos casos pelo governo do estado.

Tal estrutura legislativa foi atrativa para investimentos estrangeiros no setor, principalmente de origem canadense e estadunidense. Sendo o principal exemplo a Light, que em 1899 cria a São Paulo Railway, Light and Power Company Limited, empresa de origem canadense que detinha aprovação da Câmara Municipal de São Paulo para atuar nas linhas de bondes elétricos e na geração e distribuição de energia elétrica. Os desenrolamentos desse período levaram ao controle da maioria das usinas do país por duas empresas estrangeiras, a Light e a Amforp, mas esse tópico ainda será detalhado em um post futuro…

Referências:

CENTRO DA MEMÓRIA DA ELETRICIDADE NO BRASIL. Energia elétrica no Brasil: 500 anos. Rio de Janeiro: Centro da Memória da Eletricidade no Brasil, 2000. Disponível em: https://www.memoriadaeletricidade.com.br/acervo/10640/energia-eletrica-no-brasil-500-ano. Acesso em: 22 dez. 2023.

GOMES, João Paulo Pombeiro; VIEIRA, Marcelo Milano Falcão. O campo da energia elétrica no Brasil de 1880 a 2002. Revista de Administração Pública, v. 43, p. 295-321, 2009.

MARCELINO, J. H. Dom Pedro II nos Estados Unidos (1876) : Impressões do roteiro de um monarca viajante. Epígrafe, [S. l.], v. 10, n. 1, p. 247-272, 2021. DOI: 10.11606/issn.2318-8855.v10i1p247-272. Disponível em: https://www.revistas.usp.br/epigrafe/article/view/172256. Acesso em: 22 dez. 2023.

MORTATI, D. A arquitetura da eletricidade: O surgimento das Pequenas Centrais Hidrelétricas e o processo de urbanização das cidades do interior de São Paulo (1890-1930). Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, Universidade Estadual de Campinas. Campinas, p. 330. 2013.

Proteção de inversores string contra danos causados por raios

Energia solar fotovoltaica

Levando em conta a necessidade da utilização de fontes renováveis de energia elétrica, o sistema fotovoltaico tem sido bem aceito e tem ocupado uma posição significativa na distribuição das matrizes energéticas de cada país. Segundo a ABSOLAR (Associação Brasileira de energia solar fotovoltaica), a previsão de crescimento dos sistemas fotovoltaicas seria de 42% no ano de 2023, cerca de 10 GW, chegando a 34 GW de potência instalada. Na Alemanha, em 2021, foram instaladas mais 5,3GW de potência elétrica gerada a partir de sistemas fotovoltaicos. Para o Brasil, a previsão da ABSOLAR considerou que dos 34GW de potência instalada, 21,6 GW são oriundas das gerações distribuídas realizadas em residências, prédios, propriedades rurais e 12,4 GW são das grandes usinas, também chamadas de geração centralizadas.

Com essa crescente, faz-se necessário a preocupação com a continuidade da operação e preservação dos equipamentos das usinas fotovoltaicas, haja vista o alto custo de instalação e os contratos de compra e venda de energia elétrica entres os proprietários das usinas e os consumidores. Portanto, a proteção dos inversores strings contra danos causados por raios tem sido tema relevante dentro da engenharia elétrica.

Usina solar fotovoltaica.
Fonte: PIXABAY. Disponível em: https://pixabay.com/pt/photos/fotovoltaicas-c%C3%A9lulas-solares-491702/

Descargas atmosféricas em Usinas Fotovoltaicas

De modo geral, os sistemas fotovoltaicos estão sujeitos a correntes de impulso (10/350 us) e a correntes de surtos induzidas (8/20 us), ambas provenientes das descargas atmosféricas. A primeira é observada nas instalações que recebem a descarga atmosférica diretamente, enquanto a segunda é originada da indução eletromagnética na rede elétrica proveniente da descarga atmosférica.

Tanto a corrente de impulso quanto a corrente de surto induzida dispõem de uma grande quantidade de energia. Sendo assim, é essencial utilizar de dispositivos de proteção contra surtos (DPS) para garantir a vida útil dos equipamentos elétricos, por exemplo, os inversores strings utilizados nas usinas fotovoltaicas, evitando danos totais ou parciais. Dessa forma, os fabricantes dos inversores strings já integram no seu projeto de circuito interno os DPS Classe II, capazes de promover a proteção contra a corrente de surto induzida. No entanto faz-se necessário a utilização de DPS Classe I do lado c.a. (corrente alternada) do inversor.

Usina fotovoltaica.
Fonte: stonos. Disponível em: https://www.stonos.com.br/blog/qual-e-o-melhor-inversor-para-o-meu-sistema-de-energia-solar-microinversor-x-inversor-string/

Toda usina fotovoltaica deve dispor de um sistema de aterramento onde existirá apenas um eletrodo de aterramento ou um conjunto de eletrodos que deverá ser interligado eletricamente para que todos estejam no mesmo potencial. Sendo assim, ao ser atingida por uma descarga atmosférica, a usina fotovoltaica utiliza o eletrodo de aterramento para dispersar a corrente de surto para o solo, elevando o potencial do terra nesse ponto. Devido a distância entre a usina e o transformador do sistema elétrico de potência, haverá uma diferença de potencial entre os aterramentos do transformador e da usina fotovoltaica, gerando um fluxo de corrente entre esses pontos pelo caminho de menor impedância.

Esse fluxo de corrente permite que o DPS Classe I direcione o fluxo de corrente do lado c.a. para o eletrodo de aterramento, impedindo a passagem de corrente de impulso para o inversor string, uma vez que este está equipotencializado no mesmo eletrodo de aterramento da usina fotovoltaica, e o fluxo de corrente é do eletrodo de aterramento da usina para o eletrodo de aterramento do transformador do sistema elétrico de potência. Dessa forma, o inversor string está protegido contra as correntes de impulso e apenas dissipa a energia proveniente da corrente de surto induzida através dos DPS Classe II instalados no seu interior.

É crucial ressaltar a importância da coordenação dos estágios de proteção entre os DPS Classe I e Classe II, garantindo que apenas a corrente de surto induzida seja presente no interior do inversor string, enquanto toda energia proveniente da corrente de impulso seja dissipada pelo DPS Classe I. Para alcançar esse objetivo, é necessário utilizar dispositivos certificados e construídos com tecnologia adequada para assegurar funcionamento correto.

É possível encontrar DPS Classe I do tipo centelhador, cuja função é comutar tensão na faixa dos nanossegundos, reduzindo a sobretensão para a faixa de operação da alimentação do sistema. Outra tecnologia é o DPS Classe I utilizando varistor, que limita a tensão durante toda a passagem da corrente de impulso.

Dessa forma, as especificidades da proteção contra descargas atmosféricas devem ser cuidadosamente consideradas para garantir o correto projeto e instalação da proteção contra descargas atmosféricas (PDA), tanto do sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) quanto nas medidas de proteção contra surtos (MPS), visando preservar os equipamentos dispostos nas usinas fotovoltaicas e assegurar a continuidade estável do sistema.

Referências:

Lopez, Maria José: Proteção de inversores de string contra danos causados por raios. Revista FotoVolt nº 63, Agosto de 2023, pág. 32-37.

ABSOLAR. Capacidade de energia solar no Brasil deve crescer 42% em 2023, a 34 GW, prevê ABSOLAR. Disponível em: https://www.absolar.org.br/noticia/capacidade-de-energia-solar-no-brasil-deve-crescer-42-em-2023-a-34-gw-preve-absolar/#:~:text=%E2%80%9CProjetamos%20um%20crescimento%20consistente%20da,administra%C3%A7%C3%A3o%20da%20ABSOLAR%2C%20em%20nota. Acesso em: 13 dez. 2023.

Transformadores Verdes no Cenário da Potência

Os transformadores são equipamentos imprescindíveis para a transmissão da energia elétrica. A parte ativa do transformador (enrolamentos e núcleo) fica disposta dentro da estrutura em contato com material dielétrico, que na maioria das vezes se trata de óleo. Historicamente, muitos tipos de óleos isolantes foram largamente utilizados nos transformadores, como: óleo mineral tipo A, óleo mineral tipo B, óleo sintético, e mais recentemente, óleo vegetal. Os transformadores que utilizam óleo vegetal são comumente chamados de “Transformadores Verdes”.

Transformador de potência.
Fonte: T&DWORLD

Elemento renovável:

O óleo vegetal se tornou uma alternativa mais sustentável ao óleo mineral por sua origem renovável. Enquanto os OMIs são advindos do petróleo, fonte esgotável, os OVIs são extraídos a partir de grãos, como o milho, a soja, e o babaçu. Os óleos vegetais podem ser utilizados como dielétricos nos equipamentos e máquinas, desde que sigam as especificações da norma NBR 15422. Dessa forma, a substituição do isolante mineral pelo vegetal está sendo cada vez mais bem quista.

Tabela ABNT 2015.
Fonte: SIMONE, 2017.

Resfriamento:

As perdas por histerese magnética, por correntes parasitas e pelo cobre ocorrem durante a operação do transformador, e de forma inevitável. Elas são convertidas em calor, o que gera a necessidade de um mecanismo de refrigeração dentro do equipamento. O óleo, portanto além de isolar, é responsável pelo controle de temperatura do trafo, através da passagem do óleo pelos radiadores, o que ocasiona troca de calor por convecção. Para que a troca de calor seja adequada, o óleo deve ter baixa viscosidade, para que circule sem empecilhos nos radiadores, o que se torna um problema para os transformadores verdes. O óleo vegetal possui uma alta viscosidade, e gruda nas paredes da estrutura do trafo, podendo diminuir a vida útil do equipamento. Portanto, a estrutura de um transformador verde deve ser diferente da de um comum, tendo seu sistema de refrigeração projetado de modo a facilitar a passagem do óleo denso, como por exemplo, aumentando a largura dos radiadores. 

Demonstração da circulação do óleo e consequente troca de calor.
Fonte: UniverTec.

Biodegradabilidade:

O óleo vegetal, também chamado de éster natural de forma mais generalizada, apresenta maior biodegradabilidade quando comparado ao óleo mineral, por conta da sua origem. Um material de origem vegetal se degrada mais facilmente e com menos impactos à água e ao solo, visto que sua composição química reage mais com estes materiais, degradando-se numa faixa de 89 a 97% em 28 dias.

Estrutura química do éster natural.
Fonte: AMORIM, 2019.

Oxidação do óleo:

Outro aspecto construtivo do transformador verde que o difere do transformador comum é que sua estrutura metálica precisa ser reforçada, e sem a presença do mecanismo de “respiro livre”. O óleo vegetal apresenta alta oxidação, o que torna necessário o uso de mecanismos para evitar a todo custo o contato do oxigênio presente na atmosfera com o óleo presente no equipamento, de modo a prolongar a vida útil do isolante. Desse modo, a solução para a expansão térmica do óleo vegetal do transformador é o uso de conservadores com bolsas de borracha.

Bolsa de borracha para tanque de expansão.
Fonte: Unitec Borrachas

Considerações finais:

Com a urgência da crise climática e ambiental, o mundo procura formas de construir um futuro mais verde, e não é diferente na área da eletricidade. Nos transformadores de potência, ainda é baixa a adesão ao modelo sustentável, pois são equipamentos de vida útil elevada (cerca de 40 anos), e não se torna financeiramente viável substituir equipamentos que utilizam o óleo mineral isolante e ainda funcionam bem. Porém é inegável que o futuro dos transformadores de potência tende a ser sustentável.

Referências:

SANTANA, Ruth Marlene Campomanes e FRIEDENBERG, Luiz Eduardo. “Propriedades de óleos isolantes de transformadores e a proteção do meio ambiente”,. 2014. Disponível em:  <http://www.abes-rs.org.br/qualidade2014/trabalhos/id868.pdf> Acesso em: 31 de Outubro de 2023

CHAVIDI, Venkata Prasad e GNANASEKARAN, Dhorali.“Vegetable Oil based Biolubricants and Transformer Fluids: applications in power plants.”. 2018.

ALMEIDA, Larissa Santos e MUNIZ Pablo Rodrigues “ANÁLISE DE DESEMPENHO DO TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA ISOLADO A ÓLEO VEGETAL EM RELAÇÃO AO TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA ISOLADO A ÓLEO MINERAL.”. Revista IFes Ciência, 2020.

SIMONE, Giovana, “O USO DE ÓLEO VEGETAL EM TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA” . 2017 – Universidade Federal De Santa Catarina. Disponível em <https://repositorio.ufsc.br/xmlui/bitstream/handle/123456789/182225/Oleo%20vegetal%20em%20Trafos%20revisao.pdf?sequence=1&isAllowed=y>. Acesso em: 31 de Outubro de 2023

AMORIM, Cleber Arantes “ADEQUAÇÃO DO PROJETO DE ISOLAMENTO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA NA SUBSTITUIÇÃO DO ÓLEO MINERAL PELO ÉSTER NATURAL”. 2019. Disponível em <https://www.ppgee.ufmg.br/defesas/1602M.PDF>. Acesso em: 29 de Outubro de 2023

“Como o óleo trabalha na refrigeração dos Transformadores” 2022. Disponível em <https://www.romagnole.com.br/noticias/como-o-oleo-trabalha-na-refrigeracao-dos-transformadores/>. Acesso em: 26 de outubro de 2023

Processo Seletivo 2023.2

O Capitulo Técnico exemplar do Conselho Brasil está de portas abertas. Participe do nosso processo seletivo e venha fazer parte do nosso grupo!

Pré-Requisitos

  1. Ser estudante de Engenharia Elétrica da UFBA;
  2. Ter cursado ou estar cursando a disciplina Análise de Circuitos I;
  3. Disponibilidade de 20h semanais.

Calendário

Inscrições até dia 30/09/2023;

Autoavaliações: 25/09/2023 até 03/10/2023;

Entrevistas: a partir do dia 06/10/2023.

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OBSERVAÇÃO: O estudante que for técnico em eletrotécnica está isento do segundo requisito e pode participar do processo em qualquer momento da graduação.

Interligação do sistema elétrico brasileiro

A energia elétrica é essencial para o desenvolvimento econômico, o avanço da sociedade e o bem-estar das pessoas, além de contribuir para a preservação do meio ambiente e do clima. O sistema elétrico é composto por um conjunto de equipamentos, instalações e redes que possibilitam a geração, transmissão, distribuição e utilização da energia elétrica. Esse sistema é constituído por diversas partes interligadas que atuam em conjunto, garantindo que a eletricidade seja produzida e fornecida aos consumidores finais de forma confiável, segura e eficiente.

Existem diversas formas de gerar energia, incluindo usinas hidrelétricas, termelétricas, nucleares e fontes renováveis, como a energia solar e eólica. A fim de levar a energia gerada aos locais de consumo, são necessárias redes elétricas de transmissão e distribuição, responsáveis por interligar as usinas às cidades, bairros e indústrias. A regulação do setor elétrico brasileiro é realizada pela ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), uma autarquia vinculada ao Ministério de Minas e Energia, cuja função é estabelecer as normas e regras para a operação do sistema elétrico e para a relação entre os diversos agentes desse setor.

Rede de transmissão

A Rede de Transmissão é a parte da rede elétrica responsável pelo transporte de energia elétrica de alta tensão das usinas geradoras para as subestações abaixadoras, onde começa a distribuição. Essas linhas de transmissão podem percorrer grandes distâncias e cruzar várias regiões do país.

A tensão gerada nos geradores trifásicos de corrente alternada é normalmente de 13,8 kV. Para que seja economicamente viável, é necessário utilizar uma subestação para elevar esse valor de tensão, a fim de reduzir as perdas causadas devido à distância até os centros consumidores. Isso ocorre porque as perdas de energia são proporcionais à corrente elétrica e ao quadrado da resistência.

A rede básica de transmissão é composta por linhas de corrente alternada nas seguintes faixas de tensão: 230 kV, 345 kV, 440 kV, 500/525 kV e 765 kV, e também por linhas de corrente contínua de 600 kV e 800 kV. Para as linhas a partir de 500 kV, é realizado um estudo econômico para determinar se a utilização será em tensão contínua ou alternada.

Linha de transmissão.

Fonte: PIXABAY. Disponível em: <https://pixabay.com/pt/photos/linhas-el%c3%a9ctricas-cabos-torre-1868352/>

Rede de distribuição

A rede de distribuição desempenha o papel de distribuir a energia elétrica aos consumidores finais na rede elétrica. Essa rede é composta por linhas de distribuição de baixa tensão que conectam as subestações às residências, comércios e indústrias. O sistema de distribuição engloba um conjunto de instalações e equipamentos elétricos que operam em níveis de alta tensão, média tensão e baixa tensão.

O processo de distribuição tem início na subestação abaixadora, a qual é utilizada quando as linhas de transmissão se aproximam das cidades, com o objetivo de evitar problemas tanto para os consumidores quanto para as estruturas urbanas. A tensão da linha é reduzida para valores padronizados nas redes primárias (13,8 kV e 34,5 kV) e secundárias (380/220V, 220V e 127V). Nas redes de distribuição secundárias, são realizadas as conexões aos consumidores, que podem ser monofásicos, bifásicos ou trifásicos.

Poste de energia elétrica.

Fonte: UNSPLASH. Disponível em: <https://unsplash.com/pt-br/fotografias/Xw8u89eEzsM>

Sistema Nacional Interligado

O sistema elétrico brasileiro é um dos mais complexos e diversificados, possuindo uma matriz energética variada e um Sistema Interligado Nacional (SIN), que interliga a produção ao consumo por meio de uma extensa rede de transmissão.

A energia que alimenta o SIN provém principalmente de fontes hídricas de geração, contando também com a participação crescente de outras fontes renováveis, como a energia eólica e solar, as quais têm apresentado um aumento significativo em sua contribuição para a matriz energética.

Por outro lado, as usinas térmicas são construídas com o objetivo de operar próximas aos principais centros de carga durante períodos de baixo nível de água nos reservatórios das hidrelétricas, baixa velocidade dos ventos e baixa irradiação solar. Essas usinas térmicas contribuem para a segurança do SIN.

Sistemas Isolados

O Sistema Interligado Nacional é composto por quatro subsistemas: Sul, Sudeste/Centro-Oeste, Nordeste e a maior parte da região Norte. Apesar de sua ampla abrangência, existem áreas do país que não estão integradas ao SIN devido a questões técnicas e econômicas. Essas áreas constituem os Sistemas Isolados, localizados principalmente na região Norte, nos estados de Rondônia, Acre, Amazonas, Roraima, Amapá e Pará, além da ilha de Fernando de Noronha, em Pernambuco, e algumas localidades de Mato Grosso. A demanda por energia nessas regiões é atendida principalmente por usinas termelétricas movidas a óleo diesel.

Evolução do sistema de transmissão

A partir da década de 1930, com o processo de industrialização e urbanização do país, a demanda por eletricidade começou a crescer rapidamente. Para atender a essa demanda, foram construídas usinas hidrelétricas de maior porte em rios de grande vazão, como o Paraná, o São Francisco e o Tocantins. No entanto, essas usinas ficavam distantes dos centros consumidores e, até meados do século XX, o sistema elétrico era composto por sistemas isolados, o que exigia a construção de longas linhas de transmissão com tensões mais elevadas para transportar a energia até os centros consumidores em áreas urbanas.

Em 1962, foi criada a Eletrobras, responsável pela expansão da geração e transmissão de energia no Brasil. A Eletrobras passou a contar com subsidiárias como a Chesf (Companhia Hidrelétrica do São Francisco) e a Furnas, que forneciam energia para as regiões Nordeste e Sudeste, respectivamente. Além disso, foi criada a Eletrosul em 1968, terceira subsidiária da Eletrobras, responsável pelo abastecimento energético da região Sul. A quarta subsidiária da empresa, a Eletronorte, foi criada em 1973 para atender a região Norte.

No início da década de 1980, a Eletronorte e a Chesf interligaram as regiões Norte e Nordeste por meio de linhas de transmissão de 500 kV com extensão superior a 1.500 km. No Sul, em 1984, a usina Itaipu Binacional, localizada no rio Paraná entre o Brasil e o Paraguai, foi inaugurada. Essa usina é responsável por suprir uma parcela significativa da demanda energética do Sul e Sudeste do Brasil, além de fornecer cerca de 86,4% da energia consumida no Paraguai. Para integrar a usina ao sistema elétrico brasileiro, foram implantadas linhas de transmissão de 600 kV em corrente contínua e 750 kV em corrente alternada.

Entre 1990 e 2000, iniciou-se o processo de interligação das regiões Norte/Nordeste e Sul/Sudeste, conhecido como interligação Norte-Sul, que contou com 1,3 km de extensão de linhas de transmissão e tensão de 500 kV. Nesse mesmo período, em 1994, a usina hidrelétrica de Xingó, no Nordeste, foi inaugurada.

Posteriormente, em 2009, Acre e Rondônia foram integrados ao sistema elétrico brasileiro, e em 2017, entrou em operação a primeira linha de corrente contínua, que interligou a usina de Belo Monte, no estado do Pará, ao Sudeste, com uma tensão de 800 kV e extensão de mais de 200 km.

Evolução das linhas de transmissão no Brasil

Fonte: ELETROBRAS. Disponível em: <https://eletrobras.com/pt/Paginas/Sistema-Eletrico-Brasileiro.aspx>

O principal desafio do sistema consiste em integrar e otimizar os recursos energéticos de cada região, aproveitando o excedente das áreas com menor demanda e suprindo as necessidades das áreas com maior demanda. Para isso, são realizados estudos de planejamento pelos Grupos de Estudo de Transmissão (GET), coordenados pela EPE, a fim de viabilizar a instalação de novas linhas de transmissão que serão integradas à Rede Básica.

Atualmente, com o significativo aumento na geração de energia solar e eólica no Nordeste, surge a dúvida sobre o que fazer com a capacidade excedente na própria região. Diante dessa questão, o Ministério de Minas e Energia anunciou, em maio de 2023, o Plano de Outorgas de Transmissão de Energia Elétrica (POTEE), estabelecendo um investimento de R$ 56 bilhões em linhas de transmissão para escoamento de energia renovável na região Nordeste.

Referências

https://eletrobras.com/pt/AreasdeAtuacao/Transmiss%C3%A3o/Mapa%20Evolu%C3%A7%C3%A3oTransmiss

https://www.gov.br/aneel/pt-br/assuntos/distribuicao/regulacao

https://www.osetoreletrico.com.br/os-desafios-para-a-expansao-da-transmissao/

https://www.itaipu.gov.br/energia/geracao

https://www.ons.org.br/paginas/sobre-o-sin/o-sistema-em-numeros

https://www.gov.br/mme/pt-br/assuntos/noticias/alexandre-silveira-anuncia-plano-de-investimentos-em-transmissao-de-energia-1

https://www.epe.gov.br/pt/areas-de-atuacao/energia-eletrica/planejamento-da-transmissao

CREDER, Hélio. Instalações Elétricas. 15ª ed. São Paulo: LTC, 2007.

A utilização de Sistemas Inteligentes na rede elétrica 

A necessidade da modernização

O aumento da demanda energética e a sustentabilidade são os principais motivos para a transição energética que, por sua vez, necessita de um sistema de geração, transmissão e distribuição mais eficiente. Para isso, medidas como a digitalização de subestações e a implementação de sistemas inteligentes tornam-se prioridades. Tendo em vista, a redução nos custos e consumo, aumento da eficiência, confiabilidade e segurança.

Na rede elétrica, a digitalização, com a aplicação da automação, permite a supervisão e o comando à distância e com o uso de algoritmos inteligentes, a detecção e diagnóstico de faltas e defeitos, o gerenciamento do fluxo de potência, ocorre de forma mais otimizada e rápida.

Smart Grids 

As Smart Grids (redes inteligentes) são redes elétricas mais modernas que permitem a bidirecionalidade do fluxo energético, o que favorece a integração da geração distribuída no sistema elétrico. A Smart Grid é um conceito que une a tecnologia da informação à automação, visando-se obter um controle baseado em dados obtidos através de sensores e medidores inteligentes. Além disso, ainda é possível, através de ferramentas computacionais, realizar decisões de forma automática. 

A Smart Grid surgiu com o intuito principal de empoderar a descentralização da geração de energia elétrica, impulsionando a transição energética através da geração a partir de fontes renováveis nas microrredes. Dessa forma, o país diminui a dependência das termelétricas, que emitem gases poluentes através da queima de combustíveis fósseis.

Smart Grid.
Fonte: AUTOSSUSTENTAVEL. Disponível em: <https://autossustentavel.com/2018/08/smart-grid.html>. Acesso em outubro, 2022

Machine Learning

Uma maior eficácia na análise do comportamento da rede e a capacidade de se tomar decisões de forma automática é possível através do uso do Machine Learning (aprendizado de máquina), área da IA (Inteligência Artificial). Por meio desse artifício, é possível adquirir conhecimento de forma automática e tomar decisões baseadas em experiências acumuladas por meio da solução de problemas.

O processo começa pela extração de dados, depois é feito o reconhecimento de padrões, classificação e, por fim, é estabelecido o resultado da saída. Essa saída, no sistema de potência, define a melhor a solução para a previsão de geração e carga, resposta de demanda, cibersegurança, detecção de faltas e proteção.

Redes Neurais Artificiais

As redes neurais artificiais ou RNAs possuem estruturas similares ao do sistema nervoso central e são modelos computacionais que fazem parte do processo da machine learning. As RNAs são capazes de resolver problemas que os humanos não conseguem e em curto espaço do tempo, entre eles: aproximação, predição, classificação, categorização e otimização. Algumas das aplicações da RNA, na rede elétrica, são para previsões de demanda de energia e carga elétrica, processo e controle de qualidade.

A forma de aprendizado mais usada pelo ser humano é o aprendizado indutivo, que se baseia no raciocínio de exemplos e generalização. As neurais também utilizam o método indutivo. O aprendizado indutivo pode ser dividido em supervisionado e não-supervisionado. Ao primeiro é fornecido dados rotulados com a resposta correta, enquanto no segundo, os exemplos fornecidos são analisados, tentando-se agrupar em agrupamentos ou clusters, que depois é organizado de acordo com o significado no contexto do problema que está sendo analisado.

As redes neurais podem ser simples ou profundas, elas possuem camadas de entrada, ocultas e de saída. No caso da RNAs simples, as camadas de entrada recebem os exemplos que são processados e enviados, através dos nós, até a camada oculta ou escondida, que, por sua vez, analisam e processam os dados das entradas e os enviam para as saídas. Por outro lado, as RNAs profundas processam os dados da entrada mais de uma vez, isto é, elas possuem estruturas similares ao do sistema nervoso central, existem múltiplas camadas que processam ainda mais os dados da anterior até se obter o resultado que chegará à saída.

Rede neural em camadas.
Fonte: NUTRIMOSAIC. Disponível em: <https://nutrimosaic.com.br/redes-neurais-artificiais-aplicadas-a-zootecnia/>

A RNA simples depende do ser humano para fornecer os dados corretos que serão utilizados na análise, contudo, o principal objetivo de um sistema inteligente é automatizar o máximo possível o processo. Nesse sentido, o aprendizado profundo, por meio da RNA profunda, permite que seja introduzido ao algoritmo apenas dados brutos que, por sua vez, é analisado de forma independente.

Aplicação do aprendizado de máquina no sistema elétrico

O machine learning é utilizado em diversos domínios de aplicações na rede elétrica integrada, como a operação em tempo real, percepção compreensiva e a realização de decisões inteligentes.

A operação em tempo real permite a resiliência do sistema com o mecanismo self healing (auto reparação), que identifica e corrige falhas de forma automática e rápida. Além disso, com operação em tempo real, é possível controlar o armazenamento de energia da geração distribuída, detectar ataques cibernéticos, anomalias de sistema e gerenciar sistemas de diversas fontes de geração.

A percepção compreensiva é dada através da análise do comportamento do consumo de carga; previsão de carga, geração e preço; infraestrutura avançada de medição e a monitoração da condição de equipamentos elétrico.

A realização de decisões inteligentes contribui no planejamento otimizado do sistema; mercado de energia; na vida útil de equipamentos elétricos, condutores e dispositivos de proteção; gerenciamento de risco no sistema elétrico e demanda.

Referências

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352484721007356?via%3Dihub#sec1

https://ieeexplore.ieee.org/document/8783340

https://www.iea.org/reports/digitalisation

https://www.gta.ufrj.br/ensino/eel878/redes1-2016-1/16_1/smartgrid/

https://aws.amazon.com/pt/what-is/neural-network/

https://www.neoenergia.com/pt-br/sala-de-imprensa/noticias/Paginas/tecnologia-self-healing-beneficia-472-municipios-areas-de-concessao.aspx

GALLOTTI, V. D. M. Intelligent electric power networks (Smart Grids). Research, Society and Development, [S. l.], v. 10, n. 9, p. e30010918322, 2021. DOI: 10.33448/rsd-v10i9.18322. Disponível em: https://rsdjournal.org/index.php/rsd/article/view/18322. Acesso em: outubro de 2022.

REZENDE, Solange Oliveira. Sistemas Inteligentes: Fundamentos e Aplicações. Barueri, SP: Editora Manole Ltda, 2003. ISBN 8520416837.

Gestão da PES 2022


A Power & Energy Society (PES) é uma Sociedade Técnica do Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE), focada nas áreas de Engenharia Elétrica e energia.

É com muita felicidade que anunciamos a diretoria 2022 do Capítulo Estudantil IEEE PES UFBA. Desejamos a nova diretoria boa sorte na gestão!

Para saber mais, acesse https://www.instagram.com/ieeepesufba/.

Gestão da PES 2022

Processo Seletivo do G-SEPi 2022.1

O Grupo de Sistemas Elétricos de Potência Integrado – G-SEPi declara aberto o seu Processo Seletivo, com o período de inscrições entre os dias 01/03 e 25/03.

Pré-requisitos

  1. Ser estudante de Engenharia elétrica;
  2. Ter cursado ou estar cursando a disciplina Análise de Circuitos II;
  3. Disponibilidade de 20h semanais.

Obs: O estudante que for técnico em eletrotécnica está isento do segundo requisito e pode participar do processo em qualquer momento da graduação.

Cronograma

  1. Inscrições: 01/03 até 25/03;
  2. Avaliações: 26/03 e 27/03;
  3. Entrevistas: 30/03 e 31/03.

Inscrições

Para se inscrever, acesse https://bit.ly/PSgsepi221

Curso de Otimização Aplicada ao SEP

No semestre letivo de 2022.1, o Capítulo IEEE Power and Energy Society da UFBA (PES UFBA) e o Grupo de Sistemas Elétricos de Potência Integrados (G-SEPi) ofertarão um curso com o objetivo de capacitar o estudante a realizar estudos de otimização nos Sistemas Elétricos de Potência (SEP).

O curso é exclusivo aos(as) alunos(as) de Engenharia Elétrica da UFBA e será ministrado pelo professor Renato Araújo (DEEC). Os encontros serão síncronos e realizados via Google Meet e os conteúdos serão disponibilizados no Google Classroom para os(as) inscritos(as).

Informações

  • Carga horária: 20 horas;
  • Encontros semanais: Sexta-feira às 14h.;
  • Início das aulas: 04/03/2022;
  • Término das aulas: 06/05/2022;
  • Disciplina pré-requisito: SEP.

Ementa

  1. Introdução a otimização;
  2. Métodos de programação matemática;
  3. Métodos de programação heurística;
  4. Algoritmos genéticos;
  5. Algoritmos colônia de formigas;
  6. Algoritmo nuvens de partículas.

Sobre o ministrante

Renato Araújo

Investimento

  • R$ 60,00.

O ministrante Renato Araújo é professor na Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia. Ele já prestou serviços de consultoria em diversas áreas, realizando desde análises de alternativas de fornecimento até estudos de conexão de geração ao sistema elétrico. Além disso, apresenta experiências nas áreas de Distribuição, Qualidade de Energia e Otimização.

Inscrições

Disponível em: https://bit.ly/OtimizacaoSEP

Entre em contato conosco através do e-mail: gsepi@ufba.br.