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Trabalho sobre projeto elétrico apresentado na aula de introdução à engenharia na UTFPR campus Pato Branco
Tipologia: Notas de aula
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Pato Branco – PR Maio – 2010
Trabalho sobre Projeto Elétrico Na Construção Civil entregue ao professor do de Introdução à Engenharia do primeiro semestre do curso de Engenharia Civil, Doutor Rogério Carrazedo. com data de entrega prevista para o dia 06 de Maio de
Esse trabalho tem pretende contribuir na formação dos estudantes de Engenharia Civil, abordando assuntos relacionados a estrutura elétrica básica. Os assuntos abordados foram pesquisados em diversos livros, revistas técnicas e na rede de internet, não tendo a pretensão de esgotar todo o conhecimento sobre os assuntos aqui tratados. A iniciativa pretende contribuir de forma efetiva no processo ensino- aprendizagem não prescindindo da leitura de outras fontes literárias especializadas. Serão abordados assuntos como história da energia elétrica, formas de geração de energia, transmissão da energia, instalações elétricas residenciais, novidades sobre energia elétrica, medidas de segurança, elaboração do projeto elétrico dentre outros itens.
A História da eletricidade tem início na Antiguidade, na Grécia Antiga. De acordo com Tales de Mileto, ao se esfregar âmbar com pele de carneiro, observou- se que pedaços de palha eram atraídos pelo âmbar. Nas Civilizações Antigas as propriedades elétricas de alguns materiais já eram conhecidas, como por exemplo, no Iraque, Objetos encontrados datados de 250 a.C. Seriam usados como forma de bateria.
Figura 1 – Tales de Mileto. Fonte: Wikipédia (2010).
Mudanças Significativas ocorreram quando William Gilbert em 1600, publicou o livro De Magnet, com embasamento cientifico para as explicações de eletricidade e magnetismo. James Watt (1736 - 1819), Mecânico concebeu o principio da maquina a vapor impulsionando a revolução industrial. Michael Faraday (1791 - 1867), Físico, Constatou que o Movimento de um imã através de uma bobina de fio de cobre causava fluxo de corrente no condutor e, Faraday, também estabeleceu o Principio do motor elétrico. Foi Benjamin Franklin quem demonstrou, pela primeira vez no século XVIII, que o relâmpago é um fenômeno elétrico, através da sua famosa experiência com uma pipa.Ao empinar a pipa num dia de tempestade, Franklin consegue obter efeitos elétricos através da linha e percebe então que o relâmpago resultava do desequilíbrio elétrico entre a nuvem e o solo.
Os primeiros concessionários dos serviços de eletricidade constituíam-se de pequenos produtores e distribuidores, organizados como empresas de âmbito municipal por fazendeiros, empresários e comerciantes locais. Eram freqüentes as instalações autoprodutoras nas indústrias e em unidades de consumo doméstico, no setor agrícola. Essas empresas municipais constituíram-se como resultado da iniciativa do empresariado nacional ligado à agricultura de exportação, aos serviços urbanos, principalmente iluminação e transportes, e à indústria. A necessidade de atender à crescente demanda por iluminação, abastecimento de água, esgoto, transportes e telefonia, e a impossibilidade de seu atendimento diretamente por parte da administração pública, levou à instituição definitiva do regime de concessões para a prestação dos serviços públicos. A energia elétrica teve sua produção e uso implantados no Brasil num período em que o país conheceu um grande desenvolvimento político, econômico e social. O novo regime republicano se consolidava e começava a sofrer transformações de cunho doutrinário. A economia crescia a partir da riqueza da agroexportação e, ao mesmo tempo, diversificava-se e criavam-se as condições para a industrialização. A sociedade assistiu ao fortalecimento de novos segmentos e à inovação dos costumes, oriunda do progresso tecnológico, com a superação da iluminação a gás e da tração animal dos bondes, nas cidades. A energia elétrica instalou-se no Brasil, a um só tempo, como conseqüência e como condição das transformações da vida nacional. Quanto à evolução da indústria de energia elétrica, o período de 1930 a 1945 apresentou uma queda acentuada no ritmo de crescimento, se comparado com o período de implantação inicial do setor de energia elétrica brasileiro (1880-1930). Apesar de importantes acréscimos na capacidade instalada no país, realizados ao longo da década de 1930, a partir de 1941 a potência correspondente a unidades de geração hidráulica permaneceu praticamente inalterada, até o ano de
governos do Brasil e do Paraguai por meio da Itaipu Binacional. A aceleração do consumo levou, também, à implementação do campo da geração térmica nuclear no país e à assinatura do Acordo Nuclear Brasil-Alemanha, em 27 de junho de 1975. O modelo setorial pautado pela organização do sistema Eletrobrás garantiu a expansão expressiva dos segmentos de geração e transmissão de energia elétrica ao longo dos anos 1960 e 1970, tendência que viria a ser revertida, na década de 1980, tanto como reflexo das mudanças nas regras dos mercados financeiros internacionais, como dos obstáculos à continuidade da captação interna de recursos. Mais especificamente a crise do petróleo, em 1973, levou à substituição, incentivada pelo governo federal, do uso de combustíveis fósseis pela eletricidade nas indústrias eletrointensivas, o que acarretou a necessidade de novos investimentos em expansão e maiores custos de operação, no quadro desfavorável da implementação da política de reerguimento do dólar, por parte do governo norte- americano, da elevação das taxas de juros internacionais e da inversão dos fluxos internacionais de crédito, que naquele momento passavam a buscar os mercados dos países centrais.
Figura 3 – Itaipu. Fonte: Wikipédia (2010).
Atualmente, no Brasil, Segundo dados do Balanço Energético Nacional (BEN) 2009 dentre as fontes primária e secundária de energia a fonte Hidráulica é a que mais contribui para a produção de energia elétrica (73,1%). Estando os locais produtores longe dos consumidores finais, são necessárias grandes extensões de linhas de transmissão e instalações para repartir e distribuir a energia nos centros de consumo.
Figura 4 – Gáfico. Fonte: Wikipédia (2010).
e superaquecedor trocando calor com estes gases de exaustão criando assim uma grande massa de vapor que então será direcionado a uma turbina à Vapor. Essa água pode provir de um rio, lago ou mar, dependendo da localização da usina. O vapor movimenta as pás de uma turbina e cada turbina é conectada a um gerador de eletricidade. O vapor é resfriado em um condensador, a partir de um circuito de água de refrigeração, e não entra em contato direto com o vapor que será convertido outra vez em água, que volta aos tubos da caldeira, dando início a um novo ciclo. A energia Termoelétrica possui um grande impacto ambiental, sendo uma das principais causadoras do efeito estuda e da chuva ácida. O Brasil lança por ano 4, Milhões de toneladas de carbono na atmosfera.
2.1.2.3 Energia eólica
A energia é gerada através do vento, que é utilizado para mover aerogeradores(grandes turbinas) e são colocados em local com muito vento. Essas turbinas tem forma de catavento ou moinho. Esse moimento do gerador produz energia elétrica, porém, são necessários parques eólicos, onde se agrupam diversos aerogeradores, para que a produção se torne rentável e suficiente. A energia eólica pode ser considerada uma das mais promissoras fontes naturais de energia, principalmente porque é renovável, ou seja, não se esgota, limpa, amplamente distribuída globalmente e, se utilizada para substituir fontes de combustíveis fósseis, auxilia na redução do efeito estufa. Em países como o Brasil, que possuem uma grande malha hidrográfica, a energia eólica pode se tornar importante no futuro, porque ela não consome água, que é um bem cada vez mais escasso e que também vai ficar cada vez mais controlado. Em países com uma malha hidrográfica pequena, a energia eólica passa a ter um papel fundamental já nos dias atuais, como talvez a única energia limpa e eficaz nesses locais. Além da questão ambiental, as turbinas eólicas possuem a vantagem de poderem ser utilizadas tanto em conexão com redes elétricas como em lugares isolados, não sendo necessário a implementação de linhas de transmissão para alimentar certas regiões.
2.1.2.4 Energia geotérmica
A energia geotérmica existe desde que o nosso planeta foi criado. Geo significa terra e térmica significa calor, por isso, geotérmica é a energia calorífica que vem da terra.Abaixo da crosta terrestre, ou seja, a camada superior do manto é constituída por uma rocha líquida, o magma (encontra-se a altas temperaturas). A crosta terrestre flutua nesse magma. Por vezes, o magma quebra a crosta terrestre chegando á superfície, a este fenômeno natural chama-se vulcão e o magma passa a designar-se lava. Em cada 100 metros de profundidade a temperatura aumenta 3º Celsius. Em alguns locais do planeta, existe tanto vapor e água quente que é possível produzir energia elétrica. Abrem-se buracos fundos no chão até chegar aos reservatórios de água e vapor, estes são drenados até á superfície por meio de tubos e canos apropriados.Através destes tubos a o vapor é conduzido até á central elétrica geotérmica. Tal como numa central elétrica normal, o vapor faz girar as lâminas da turbina como uma ventoinha. A energia mecânica da turbina é transformada em energia elétrica através do gerador. A diferença destas centrais elétricas é que não é necessário queimar um combustível para produzir eletricidade. Após passar pela turbina o vapor é conduzido para um tanque onde vai ser arrefecido. O fumo branco que se vê na figura é o vapor a transformar-se novamente em água no processo de arrefecimento. A água é de novo canalizada para o reservatório onde será naturalmente aquecida pelas rochas quentes.
2.1.2.5 Energia nuclear
Usinas nucleares são usinas térmicas que usam o calor produzido na fissão para movimentar vapor de água, que, por sua vez, movimenta as turbinas em que se produz a eletricidade. Em um reator de potência do tipo PWR (termo, em inglês, para
A energia solar atinge uma superfície escura e é transformada em calor, que aquecerá uma quantidade de água, por exemplo - esse princípio é muito utilizado em aquecedores solares. Indireto significa que precisará haver mais de uma transformação para que surja energia utilizável. Um exemplo são os sistemas que controlam automaticamente cortinas, de acordo com a disponibilidade de luz do Sol. Sistemas passivos são geralmente diretos, apesar de envolverem (algumas vezes) fluxos em convecção, que é tecnicamente uma conversão de calor em energia mecânica. Sistemas ativos são sistemas que apelam ao auxílio de dispositivos elétricos, mecânicos ou químicos para aumentar a efetividade da coleta. Sistemas indiretos são quase sempre também ativos.
2.1.2.7 Energia Maremotriz
Energia maremotriz é o modo de geração de eletricidade através da utilização da energia contida no movimento de massas de água devido às marés. Dois tipos de energia maremotriz podem ser obtidas: energia cinética das correntes devido às marés e energia potencial pela diferença de altura entre as marés alta e baixa.A energia das marés é obtida de modo semelhante ao da energia hidrelétrica. Trata-se de uma obra complexa de Engenharia hidráulica. Constrói-se uma barragem, formando-se um reservatório junto ao mar. Quando a maré é alta, a água enche o reservatório, passando através da turbina hidráulica, tipo bulbo, e produzindo energia elétrica. Na maré baixa, o reservatório é esvaziado e a água que sai do reservatório passa novamente através da turbina, em sentido contrário, produzindo a energia elétrica. Este tipo de fonte é também usado no Japão, na França e na Inglaterra. A primeira usina maremotriz construída no mundo para geração de electricidade foi a de La Rance , em 1963 e antes de 1500, em Lameiras município de Sintra para uso direto em moendas.
2.2 TRANSMISSÃO
Transmissão de energia elétrica é o processo de transportar energia entre dois pontos. O transporte é realizado por linhas de transmissão de alta potência, geralmente usando corrente alternada, que de uma forma mais simples conecta uma usina ao consumidor. A transmissão de energia é dividida em duas faixas: a transmissão propriamente dita, para potências mais elevadas e ligando grandes centros, e a distribuição, usada dentro de centros urbanos, por exemplo. Cada linha de transmissão possui um nível de tensão nominal, aonde encontramos linhas de até 750 kV, com diversos estudos e protótipos em 1 a 1,2 MV. As linhas de distribuição são usualmente na faixa de 13,8 kV. Para a conversão entre níveis de tensão, são usados transformadores. Em sistemas de grande porte, é usual a interligação redundante entre sistemas, formando uma rede. O número de interligações aumenta a confiabilidade do sistema, porém aumentando a complexidade. A interligação pode tanto contribuir para o suprimento de energia quanto para a propagação de falhas do sistema: um problema que ocorra em um ponto da rede pode afundar a tensão nos pontos a sua volta e acelerar os geradores, sendo necessário o desligamento de vários pontos, incluindo centro consumidores, havendo o aparecimento de apagões ou blecautes.
2.2.1 Componentes do Sistema de Transmissão
2.2.1.1 Torres
Para linhas aéreas, é necessário erguer os cabos a uma distância segura do solo, de forma a evitar contato elétrico com pessoas, vegetação e veículos que eventualmente atravessem a região. As torres devem suportar os cabos em condições extremas, determinadas basicamente pelo tipo de cabo, regime de ventos da região, terremotos, entre outros eventos.
2.2.1.2 Isoladores
2.2.2.2 Ampacidade
Trata-se da capacidade máxima de corrente elétrica nos condutores. Conforme a corrente aumenta, a temperatura eleva-se e os condutores se dilatam, aumentando a flecha e diminuindo a distância do centro do vão para o solo. Esta distância deve ser tal para evitar contactos com o solo ou outros elementos, como animais e pessoas. Eventualmente a linha pode operar em regime de emergência, com sobrecarga, o que é previsto em projeto mas não deve ser utilizado com frequência. Os limites de operação normal e de emergência variam para cada país. O aumento da temperatura nos condutores eleva a resistência, no qual altera a própria corrente. O vento em contacto com o condutor é um elemento relevante no resfriamento, além da convecção. A radiação solar também influencia na elevação da temperatura do condutor.
2.2.2.3 Efeito corona
Para linhas de extra-alta tensão (acima de 345 kV), o principal limitante é o efeito corona (ou coroa em Portugal). O campo elétrico na superfície dos condutores atinge um limiar no qual o dielétrico do ar rompe-se, criando assim pequenas descargas em torno do condutor, similar a uma coroa. Este efeito é muito interessante visualmente, mas provoca perdas elétricas no sistema e interferência em rádio e TV em localidades próximas. O efeito corona torna-se mais intenso na ocorrência de chuva, no qual as gotas nos cabos provocam uma concentração do campo elétrico, e elevando o nível de perdas e interferência. Outro fator que favorece a ocorrência desse efeito são as condições físicas da superfície do cabo. Se este for arranhado, sujo ou sofre algum processo que torne sua superfície mais rugosa (isso pode ocorrer especialmente no lançamento dos cabos se a equipe não tomar cuidado. Por exemplo, deixar acidentalmente o cabo arrastar no solo) pode facilitar a ocorrência do efeito. Normas
específicas, como a NBR 5422 no Brasil, impõe um limite de interferência provocado pelas linhas de transmissão, geralmente especificado para clima ameno. Na ocorrência de sobretensões na linha, o efeito corona é um meio importante de amortecer tais falhas, agindo como um "escape" desta energia excedente. Uma linha de extra-alta tensão projetada de forma otimizada possui os campos superficiais nos condutores próximos do limite.
2.2.2.4 Campos eletromagnéticos
A linha irradia campos eletromagnéticos na sua vizinhança, podendo causar interferências e problemas de saúde. Uma publicação do INCIRP [3]^ define como
limites para frequência industrial (50 ou 60 Hz) os valores de 10 e 8,33 kV/m, respectivamente. Os limites para campo magnético, em 50 e 60 Hz, são de 500 e 420 mT(microteslas), respectivamente.
2.2.2.5 Compensação de linhas
Para linhas com grandes comprimentos, acima de 400 km, é necessário o uso de equipamentos de compensação, tais como reatores em paralelo e capacitores em série, para aumentar a capacidade da linha. Os reatores em paralelo (também chamados de reatores shunt) anulam parcialmente o efeito capacitivo da linha, minimizando o Efeito Ferranti, que ocorre quando a linha opera em carga leve. Estes reatores geralmente não são manobráveis, o que pode ser indesejável quando a linha estiver em sobrecarga. A manobra convencional de um reator pode levar a sobretensões indesejáveis, e é evitada na medida do possível. O uso de reatores controláveis permite uma maior flexibilidade, mas acrescenta uma maior complexidade e custo no sistema de transmissão. O projeto de uma linha envolve limites físicos importantes:
