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Atividade Pratica Circuitos Elétricos
Tipologia: Exercícios
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Localizada no Rio Paraná, na Bacia Hidrográfica do Prata, a Usina Hidrelétrica de Itaipu tem como vizinhas as cidades de Foz do Iguaçu, Paraná, do lado brasileiro, e Ciudad del Este, do lado paraguaio. Esta líder global em produção de energia limpa, gerou mais de dois bilhões de megawatts-hora desde sua inauguração em 1984, um feito notável na engenharia. Em no- vembro de 2016, Itaipu, que significa "pedra que canta" em tupi-guarani, alcançou a incrível marca de energia suficiente para iluminar o mundo por 40 dias, caso essa energia pudesse ser acumulada. Esta gigante binacional, uma fonte de orgulho para nós brasileiros, opera sob as ordens jurídicas do Brasil e do Paraguai. É administrada pela Eletrobrás, representando o Brasil, e pela Administração Nacional de Eletricidade (Administración Nacional de Electricidad, ANDE), representando o Paraguai. Com 14.000 MW instalados e 20 unidades geradoras, é a segunda maior usina hidrelétrica em funcionamento, superada apenas pela usina chinesa de Três Gar- gantas. Seu monumental projeto de engenharia civil consumiu 12,7 milhões de m³ de concreto - volume suficiente para construir 210 estádios de futebol do tamanho do Maracanã. As façanhas da engenharia mecânica e elétrica na sua construção são de magnitude incrível, como eviden- ciado pelos eixos e rotores que giram a velocidades próximas a 700 rpm e possuem diâmetros de até 20m. Esta pesquisa explora a história da eletricidade e o funcionamento das usinas hidrelétricas, focando principalmente na notável Itaipu. Analisamos a geração de energia de Itaipu e seu sis- tema de transmissão, e também apresentamos o sistema de distribuição de energia da minha cidade. A conclusão oferece observações sobre os temas abordados e os conhecimentos adqui- ridos. 1.1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA As usinas hidrelétricas, como seu nome sugere, utilizam a energia da água para gerar ele- tricidade. No Brasil, estas instalações são de particular importância, pois o país possui um am- plo sistema hídrico e tem um histórico de aproveitamento desses recursos para a produção de energia limpa e renovável. A energia hidrelétrica brasileira se desenvolveu com base na exploração de suas grandes bacias hidrográficas. Contudo, o desenvolvimento de projetos para a utilização dos recursos
hídricos disponíveis é restrito pelas condições naturais da bacia hidrológica e do ambiente cir- cundante (PEREIRA, 2015). O Estudo de Inventário Hidrelétrico (EIH) é a primeira fase da pesquisa em bacias hidro- gráficas. Historicamente no Brasil, esses estudos foram realizados inicialmente pelo Ministério de Minas e Energia (MME) e Eletrobras (ELB) até 1994, e posteriormente pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) (PEREIRA, 2015). Os EIHs levam em consideração múltiplos usos da água e são parte integrante da Avaliação Ambiental Integrada (AAI) da bacia. A AAI tem como objetivo principal identificar e avaliar os impactos potenciais decorrentes da implantação de usinas hidrelétricas. Além disso, o pro- cesso avalia os benefícios socioeconômicos e os impactos ambientais da operação desses em- preendimentos de forma integrada, contemplando os aspectos locais e regionais (BRASIL, 2006 ). Vale ressaltar que a energia hidrelétrica, além de ser uma fonte de energia renovável, é também um meio de promover o desenvolvimento regional, pois gera empregos, renda e infra- estrutura nas áreas onde as usinas são instaladas (TUNDISI, 2010). Por fim, o planejamento adequado e a implementação de políticas de sustentabilidade são essenciais para garantir que o potencial hidrelétrico do Brasil seja explorado de maneira a mi- nimizar os impactos ambientais e sociais, ao mesmo tempo em que maximiza os benefícios energéticos e socioeconômicos (BARBOSA, 2014). 1.2 OBJETIVOS Os objetivos são focado principalmente baseado nos sistema de potência, que como base tem os métodos de geração, transmissão e distribuição de energia, tendo como base os métodos utilizados para a geração e suas formas de distribuição. 1.2.1 Objetivo geral Como objetivo principal temos a usina hidrelétrica Itaipu devido ao seu potencial de geração de energia, além de ser uma fonte renovável.
Figura 1 – Estrutura Usina Hidrelétrica. Fonte: UFRGS. O potencial hidráulico é gerado pela combinação da vazão hidráulica e da disposição dos desníveis existentes no percurso de um rio. Isso pode ocorrer de forma natural, quando o desnível está concentrado em uma cachoeira; através da construção de uma barragem, que con- centra pequenos desníveis na sua altura; ou mediante o desvio do curso fluvial, que centraliza os pequenos desníveis nestes desvios. Uma usina hidrelétrica é, em sua essência, composta por: barragem, sistemas de capta- ção e condução de água, casa de força e sistema de devolução da água ao leito natural do rio. Cada segmento consiste em um conjunto de estruturas e instalações meticulosamente projetadas para operar de forma sinérgica. Em uma usina hidrelétrica, a água oriunda do reservatório é direcionada sob alta pressão através de tubulações de grande porte até a casa de força, local onde as turbinas e geradores que produzem a eletricidade estão instalados. A turbina é composta por várias pás acopladas a um eixo, que por sua vez é conectado ao gerador. A força da água provoca a rotação do eixo da turbina, gerando um campo eletromagné- tico no gerador, resultando na produção de eletricidade. Assim, a energia hidráulica é conver- tida em energia mecânica quando a água atravessa a turbina, fazendo-a girar, e, no gerador, que gira simultaneamente à turbina, a energia mecânica é transformada em energia elétrica.
Figura 2 – Turbina e Gerador. Fonte: UFRGS. Em uma usina hidrelétrica temos 3 componentes principais, sendo: turbina, gerador e subestação de transformação e proteção. As turbinas constituem-se em um dos principais componentes de uma usina hidrelétrica. As turbinas hidráulicas são projetadas para converter a energia hidráulica - composta pela ener- gia de pressão e pela energia cinética de um fluxo de água - em energia mecânica. Essas turbinas estão acopladas a um gerador elétrico, que por sua vez, está conectado à rede de energia. Figura 3 – Turbina hidrelétrica. Fonte: COPEL.
a mesma potência em uma rotação mais alta. Em situações onde a queda d'água é baixa e, por- tanto, a rotação tende a diminuir, multiplicadores de rotação são incorporados ao eixo da tur- bina. Esta abordagem permite aumentar a velocidade do eixo do gerador, permitindo o uso de uma máquina menor e mais econômica (Rashid, 2017). Esse balanceamento cuidadoso entre os componentes da usina é essencial para garantir uma operação eficiente e a produção de energia sustentável (Jenkins et al., 2010). Uma subestação elevadora em uma usina hidrelétrica serve como um ponto crítico de conexão entre a geração de energia e sua subsequente transmissão para a rede elétrica. A sua função principal é receber a energia gerada pela usina e aumentar a tensão para níveis que per- mitam uma transmissão eficiente e com perdas mínimas. Este aumento na tensão é realizado pelos transformadores de potência, componentes essenciais da subestação elevadora. Eles recebem a energia na tensão primária, que é a tensão na qual a energia é gerada, e a transformam para uma tensão secundária mais elevada, adequada para a transmissão a longas distâncias. Figura 5 – Subestação Elevadora. Fonte: Weg. Além da transformação da tensão, as subestações elevadoras desempenham um papel importante na proteção e segurança do sistema elétrico. Elas estão equipadas com vários dispo- sitivos de proteção, como disjuntores e fusíveis, que têm a capacidade de interromper o fluxo de energia no caso de uma falha ou curto-circuito. Adicionalmente, relés de proteção monitoram continuamente as condições da rede para detectar qualquer irregularidade e agir de acordo.
As subestações elevadoras também estão equipadas com sistemas avançados de controle e monitoramento. Estes sistemas permitem um acompanhamento constante do fluxo de energia e a capacidade de ajustar rapidamente a operação da subestação de acordo com as demandas e condições da rede. Desta forma, as subestações elevadoras em usinas hidrelétricas garantem a transmissão segura e eficiente da energia gerada, contribuindo significativamente para a confiabilidade e estabilidade do fornecimento de energia elétrica. 2.2 FUNCIONAMENTO USINA ITAIPU A Usina de Itaipu, uma hidrelétrica binacional localizada no Rio Paraná na fronteira entre o Brasil e o Paraguai, é um exemplar notável em termos de engenharia e cooperação internacional. Esta monumental usina hidrelétrica, sendo uma das maiores e mais produtivas do mundo, possui uma capacidade instalada de cerca de 14 gigawatts. O processo de geração de energia em Itaipu inicia com a captação da água do Rio Paraná que é armazenada no vasto reservatório da usina. A água é então encaminhada através de gran- des condutos forçados para as unidades geradoras situadas na casa de força (OLIVEIRA, 2012). Figura 6 – Planta Usina Itaipu. Fonte: Itaipu. Dentro de cada unidade geradora, encontramos uma turbina e um gerador. A água que flui move a turbina, convertendo a energia potencial da água em energia mecânica. Este movi- mento da turbina gira o eixo do gerador, criando um campo magnético que induz uma corrente
A usina é dotada de um total de 20 unidades geradoras, cada uma equipada com um gerador síncrono, conhecido por sua alta eficiência na conversão de energia mecânica em elé- trica. A natureza binacional da usina requer que a energia gerada seja dividida equitativamente entre o Brasil e o Paraguai. Para acomodar as diferenças nas frequências das redes elétricas desses países, metade dos geradores operam a uma frequência de 60Hz, utilizada no Brasil, enquanto a outra metade opera a 50Hz, compatível com o sistema elétrico paraguaio (PINTO, 2007). Figura 8 – Conjunto Turbina e Gerador Itaipu. Fonte: Itaipu.
As características das turbinas são:
A Usina Hidrelétrica de Itaipu, localizada na fronteira entre o Brasil e o Paraguai, possui um sistema de transmissão robusto e sofisticado que conecta a energia gerada às respectivas redes elétricas dos dois países (BINACIONAL, 2010). O ponto de partida do sistema de transmissão de Itaipu são as suas três subestações, duas das quais estão situadas na casa de força e operam a 60Hz e 50Hz respectivamente, e uma terceira na margem direita, no lado paraguaio. Estas subestações são encarregadas de elevar a tensão de 18kV, que é gerada pelos geradores, para 500kV, um nível de tensão adequado para transmissão em longa distância (COSTA et al., 2014). As subestações na casa de força são do tipo isoladas a gás, enquanto a da margem direita é convencional. Essas subestações elevam a tensão para 500kV, o que permite a transmissão eficiente da energia gerada ao longo de grandes distâncias. No sistema de 50Hz, existem oito linhas de transmissão de 500kV. Destas, quatro co- nectam a casa de força à subestação na margem direita, e outras quatro vão da margem direita até a subestação em Foz do Iguaçu. No sistema de 60Hz, existem quatro linhas de transmissão de 500kV que ligam a usina à subestação em Foz do Iguaçu (GONÇALVES et al., 2015). O sistema de transmissão de Itaipu também inclui uma subestação conversora de cor- rente alternada para corrente contínua (AC/DC), que se situa na margem direita. Esta subestação recebe energia a 500kV e 50Hz, converte-a para corrente contínua e transmite a energia con- vertida a ±600kV ao longo de 810km até a cidade de Ibiúna, em São Paulo, onde a corrente é novamente convertida em corrente alternada, agora a 60Hz. Esta etapa é fundamental para per- mitir que o Brasil compre energia gerada a 50Hz no Paraguai (BINACIONAL, 2010). Através da Figura 11, pode-se verificar algumas linhas de transmissão que saem as usina de Itaipu, sendo uma linha de 500kV em 5 0Hz para Subestação Margem Esquerda no Paraguai, sendo que desta saem 5 linhas sendo elas:
Na subestação de furnas a mesma efetua diversas operação, além de retransmissão, que é a transformação para 765KV corrente alternada e a conversão para corrente contínua 600kV, sendo que de Furnas saem 4 linhas, sendo:
distinto para a mesma, ele a própria BRF efetuado o rebaixamento após sua medição e distribui internamente em seu parque industrial em tensão de 138kV. Figura 13 – Subestação Concórdia Toledo. Fonte: Copel. Em Toledo, assim como em todo o Paraná a tensão de fornecimento ao usuário final é de 220/127V, sendo possível contratar 380/220V ou outras tensões somente com a aquisição de um posto de transformação, sendo atendido em tensão primária. Figura 14 – Subestação BRF Toledo. Fonte: Próprio.
Diante das informações apresentadas, pode-se concluir que o estudo sobre o funcionamento das usinas hidrelétricas, com foco na Usina de Itaipu, é fundamental para compreender a gera- ção de energia elétrica a partir do potencial hidráulico dos rios. A análise baseada em fontes como o site institucional de Itaipu Binacional, o site da concessionária de energia paranaense Copel e bibliografias disponíveis no ambiente virtual de aprendizagem da Uninter, permitiu uma abordagem detalhada sobre os princípios de funcionamento, o sistema de transmissão e distribuição de energia. A partir do estudo, observou-se que uma usina hidrelétrica é composta por diversos com- ponentes, como barragem, sistemas de captação e condução de água, casa de força e sistema de devolução da água ao leito do rio. As turbinas, acopladas aos geradores, desempenham um papel essencial na conversão da energia hidráulica em energia elétrica. O sistema de transmis- são, presente na Usina de Itaipu, conta com subestações elevadoras e linhas de transmissão de alta tensão, que garantem a distribuição eficiente da energia gerada, tanto para o Brasil quanto para o Paraguai. É importante destacar que a Usina de Itaipu se destaca como uma referência mundial na produção de energia limpa e renovável. Sua capacidade instalada e a quantidade significativa de energia gerada ao longo dos anos reforçam sua importância na matriz energética dos países envolvidos. Além disso, a utilização de geradores síncronos, a adequação das turbinas conforme a queda e vazão de água e a presença de subestações elevadoras e sistemas de controle e moni- toramento contribuem para uma operação eficiente e segura da usina. No contexto local, o estudo abrangeu o sistema de distribuição de energia elétrica na cidade de Toledo, no Paraná, considerando suas subestações e a rede de transmissão de tensões ade- quadas para atender tanto a área urbana quanto rural. A presença de indústrias relevantes na região, como a BRF (Sadia), destaca a importância do fornecimento confiável de energia para o desenvolvimento econômico local. Em suma, compreender o funcionamento das usinas hidrelétricas, especialmente a Usina de Itaipu, bem como os sistemas de transmissão e distribuição de energia, é fundamental para assegurar a geração sustentável e eficiente de eletricidade, além de garantir o fornecimento de energia para o desenvolvimento socioeconômico das regiões atendidas.
