EDITORA PROFISSIONALIZANTE Redes Elétricas
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EDITORA PROFISSIONALIZANTE
Redes Elétricas
Introdução
A energia elétrica é um pouco como o ar que respiramos - você
não pensa sobre ela até ficar sem. A energia apenas está "lá", satisfazendo
cada uma de suas necessidades constantemente. Você a usa para aquecimento,
esfriamento, cozimento, refrigeração, iluminação, som, computador,
entretenimento. Sem ela, a vida pode ficar meio desconfortável.
A energia viaja desde a usina elétrica até sua casa por um sistema
incrível chamado, rede de distribuição de energia.
A rede elétrica é pública - se você vive em um subúrbio ou em
uma zona rural, pode ser que ela esteja ao ar livre, para todos verem. Ela está
tão a vista que você provavelmente nem a percebe mais. Seu cérebro
provavelmente ignora todos os cabos de eletricidade porque são vistos com
freqüência. Neste artigo, vamos ver todo o equipamento que traz a energia
elétrica até sua casa. Da próxima vez que você olhar para uma rede elétrica,
você vai realmente vê-la e entender o que está acontecendo.
A usina elétrica
A energia elétrica é gerada na usina elétrica. Em quase todos os
casos, a usina elétrica consiste de um gerador elétrico rotativo. Algo tem que
acionar esse gerador - pode ser uma turbina hidráulica em uma represa
hidrelétrica, um grande motor a diesel ou uma turbina a gás. Nos Estados
Unidos, na maioria dos casos o gerador é acionado por uma turbina a vapor.
O vapor pode ser obtido pela queima de carvão, óleo ou gás natural. O vapor
pode vir também de um reator nuclear como este, na usina elétrica nuclear
Shearon Harris, próximo a Raleigh, na Carolina do Norte:
Não importa o que os aciona, geradores elétricos comerciais de
qualquer tamanho geram o que é chamado de energia trifásica CA. Para
entender uma energia trifásica CA, é interessante entender primeiro a energia
monofásica.
Foto cedida Departamento Americano de Energia
Um esquema das principais fontes das usinas de energia elétrica dos Estados Unidos, por fonte.
A usina elétrica: corrente alternada
Energia monofásica é o que você tem em sua casa. Você
geralmente fala sobre a instalação elétrica da casa como uma instalação
monofásica de 120 volts CA. Se você usar um osciloscópio e olhar a energia
encontrada em uma tomada normal da parede de sua casa, verá que a energia
na tomada parece uma onda senoidal, e que a onda oscila entre -170 volts e
170 volts (os picos estão na verdade em 170 volts; é a tensão eficaz (rms) que
é de 120 volts). A freqüência da onda senoidal é de 60 ciclos por segundo
(Hertz). Sinais elétricos com estas características são, geralmente, chamados
de CA, ou corrente alternada. A alternativa para o sinal CA é o sinal CC, ou
corrente contínua. As baterias produzem sinais CC: a corrente elétrica flui
em uma única direção, do terminal positivo para o negativo da bateria.
O sinal CA tem pelo menos três vantagens sobre o sinal CC em
uma rede de distribuição de energia:
1. Grandes geradores elétricos geram CA naturalmente; assim, a
conversão para CC envolveria uma etapa extra;
2. Os transformadores devem ter correntes alternadas para operar, e
veremos que a rede de distribuição de energia depende dos
transformadores;
3. É fácil converter CA em CC, mas é caro converter CC em CA; então, se
você tiver de optar por uma escolha a CA.
A usina, portanto, produz CA. Na próxima página, você vai
aprender sobre a energia CA produzida na usina elétrica. Notavelmente, ela é
produzida em três fases.
A usina elétrica: energia trifásica
A usina elétrica produz energia CA em três diferentes fases
simultaneamente, sendo que as três possuem 120º de defasagem uma em
relação à outra. Há 4 cabos saindo de cada usina elétrica: as três fases mais o
neutro ou terra, comum para todas as fases. Se você olhar para as três fases
em relação ao terra, em um gráfico, elas teriam a seguinte forma:
Não há nada mágico sobre a energia trifásica. São simplesmente
três fases sincronizadas e defasadas em 120 graus.
Por que três fases? Por que não uma, duas ou quatro? Em um
sistema com uma ou duas fases, existem 120 instantes por segundo que uma
onda senoidal cruza o 0 volt. Já em um sistema trifásico, em qualquer instante
uma das fases está próxima do pico. Dessa forma, há um ganho com relação à
potência para os motores trifásicos de alta potência (usados nas aplicações
industriais) e os equipamentos de solda trifásicos, por exemplo. Quatro fases
não representariam uma melhora significativa neste cenário, mas
acrescentariam um quarto cabo; então, a opção natural é o sistema trifásico.
E o que falar sobre esse "terra", mencionado acima? A empresa
de energia usa essencialmente a terra como um dos cabos no sistema de
potência. A terra é um ótimo condutor e é enorme; então, ela representa um
bom caminho de retorno para os elétrons. Os fabricantes de carros fazem algo
similar. Eles usam o chassi de metal do carro como um dos cabos no sistema
elétrico do veículo e conectam o pólo negativo da bateria ao chassi. "Terra" na
rede de distribuição é literalmente "o planeta Terra", que é tudo em seu redor
quando você caminha lá fora. É o cascalho, as pedras, a água do subsolo, etc.
Subestação de transmissão
A energia trifásica (sinais de tensão e corrente CA) sai do gerador
e segue para a subestação de transmissão na usina elétrica. Essa subestação
utiliza grandes transformadores para elevar a tensão do gerador (que está em
um nível de milhares de volts) até tensões extremamente altas, para a
transmissão de longa distância através da rede de transmissão.
Uma típica subestação em uma usina elétrica
Você pode ver, ao fundo, várias torres com três cabos saindo da
subestação. As tensões típicas para a transmissão de longa distância variam de
155 mil a 765 mil volts. Esse nível de tensão visa reduzir as perdas nas linhas.
A distância máxima de uma transmissão típica é de aproximadamente 483 km.
As linhas de transmissão de alta tensão são inconfundíveis quando você as vê.
Normalmente, elas são constituídas de enormes torres de aço como esta:
Todas as torres da figura possuem três cabos, sendo um para cada
fase. Muitas torres, como as mostradas acima, possuem cabos extras correndo
ao longo de seu topo. Estes são cabos aterrados (denominados pára-raios ou
cabo-guarda) e eles estão lá principalmente em uma tentativa de atrair raios.
A rede de distribuição
Para a energia ser útil em uma casa ou comércio, ela vem da rede
de transmissão e é reduzida para a rede de distribuição. Isso pode acontecer
em várias etapas. O local onde ocorre a redução da "transmissão" para a
"distribuição" é a subestação de distribuição. Uma subestação de
distribuição geralmente faz duas ou três coisas:
Ela tem transformadores que reduzem a tensão de transmissão (de uma
faixa de dezenas ou centenas de milhares de volts) para a tensão de
distribuição (geralmente de menos de 10 mil volts);
Ela tem um "barramento" que pode direcionar a energia para várias
cargas;
Geralmente há disjuntores e chaves, visando desconectar a subestação
da rede de transmissão ou desligar linhas que saem da subestação de
distribuição quando necessário.
Uma típica subestação de pequeno porte
O equipamento (caixa cinza) em primeiro plano é um grande
transformador. À esquerda (e fora do quadro, mas visível na próxima foto)
está a linha de energia que chega da rede de transmissão e um conjunto de
chaves associado a essa linha. À direita está um barramento de distribuição e
mais três reguladores de tensão.
As linhas de transmissão entrando na subestação e passando pelas chaves na torre
As chaves na torre e o transformador principal
Agora o barramento de distribuição aparece na foto.
Barramento de distribuição
A energia segue do transformador para o barramento de distribuição:
Nesse caso, o barramento distribui a energia para dois conjuntos separados de
linhas de distribuição em duas tensões diferentes. Os transformadores menores
conectados aos barramento estão reduzindo a tensão para o valor padrão
(geralmente 7.200 volts) para um conjunto de linhas, ao passo que a parte da
energia segue na outra direção, na tensão maior do transformador principal. A
energia deixa essa subestação em dois conjuntos de três cabos, cada um em
uma direção diferente:
Os cabos entre esses dois postes são os "cabos dos cabos" para suporte. Eles não transportam corrente.
Da próxima vez que você estiver viajando por uma estrada, pode
olhar os cabos de energia de um modo completamente diferente. Na figura à
direita, uma cena típica: os três cabos no alto dos postes são os três cabos para
a energia trifásica. O quarto cabo mais abaixo é o fio terra. Em alguns casos
haverá cabos extras, comumente fios de telefone ou TV a cabo que utilizam os
mesmos postes.
Como já mencionado essa subestação em particular produz dois
níveis de tensão. A tensão mais alta precisa ser reduzida novamente, o que
geralmente acontecerá em outra subestação ou em transformadores menores
em algum lugar da linha. Por exemplo, você freqüentemente vê uma grande
caixa verde (talvez de 1,8 m de um lado) próximo a um conjunto de cargas.
Ela está realizando a função de redução da tensão para estas cargas.
Banco regulador
Você também vai encontrar os bancos de reguladores localizados
ao longo da linha, tanto subterrânea como aérea. Eles regulam a tensão da
linha para evitar condições de subtensão e sobretensão.
Um típico banco regulador
Lá em cima, na parte superior desta foto, estão três chaves que
permitem que esse banco de reguladores seja desconectado para manutenção
quando necessário:
Nesse ponto, temos uma linha típica com tensão em torno de
7.200 volts, passando pelo bairro em três cabos (com um quarto cabo-terra, na
parte de baixo do poste):
Terminais
Uma casa precisa de apenas uma das três fases; então, é comum
você ver três cabos pela estrada, e terminais para uma ou duas das fases
escoarem pelas ruas laterais. Na foto abaixo, é ilustrado um terminal trifásico
para um bifásico, com duas fases sendo derivadas para a direita:
Aqui está um terminal bifásico para um monofásico, com
somente uma fase correndo pela direita:
Em casa
E, finalmente, estamos no cabo que leva a energia até sua casa!
Fora de uma casa comum existe um conjunto de postes com um condutor fase
(de 7.200 volts) e um fio condutor terra (embora às vezes haja duas ou três
fases no poste, dependendo de onde a casa está localizada na rede de
distribuição). Em cada casa, há um transformador conectado ao poste, assim:
Em muitos bairros, as linhas de distribuição são subterrâneas e
há caixas verdes de transformadores em cada uma ou duas casas. Aqui estão
alguns detalhes dos elementos presentes no poste:
O trabalho do transformador é reduzir os 7.200 volts para os 240
volts usados nas instalações elétricas residenciais normais. Vamos dar uma
olhada no poste mais uma vez, desde a parte de baixo, para ver o que está
acontecendo:
Há duas coisas para se notar nesta foto:
Um cabo exposto descendo pelo poste: o fio terra. Todo poste no
planeta tem um. Se você vir uma empresa de energia instalar um novo
poste, perceberá que a extremidade do cabo exposto está conectada a
uma haste na base do poste e, por isso, está em contato direto com a
terra, percorrendo de 1,8 a 3 m no subsolo. Esta é uma conexão boa e
sólida com a terra. Se você examinar um poste com cuidado, verá que o
fio terra que corre entre os postes está conectado a essa ligação direta
com o solo;
Dois cabos saindo do transformador e três cabos entrando na casa. Os
dois cabos do transformador são isolados e o terceiro é exposto. O cabo
exposto é o fio terra. Os dois cabos isolados possuem cada um 120
volts, mas estão 180 graus defasados; então, a diferença entre eles é de
240 volts. Essa configuração permite que o proprietário da casa use
tanto os aparelhos de 120 volts como os de 240 volts. O transformador é
enrolado neste tipo de configuração:
Os 240 volts entram em sua casa através de um típico wattímetro como este:
O medidor permite que a empresa de energia cobre você.
Dispositivos de segurança: fusíveis
Fusíveis e disjuntores são dispositivos de segurança. Vamos
dizer que você não tenha fusíveis ou disjuntores em casa e algo de errado
aconteça. O que poderia acontecer de errado? Veja alguns exemplos:
um motor de ventilador queimar um rolamento, travar, superaquecer e
derreter, causando uma conexão direta entre um fio fase e a terra;
Um cabo vem solto em uma lâmpada e conecta diretamente um fio fase
e a terra;
Um rato morde o isolamento em um cabo e conecta diretamente o fio
fase e a terra;
alguém passa com o aspirador de pó por cima do fio do abajur,
cortando-o e conectando diretamente o fio fase à terra;
Uma pessoa pendura um quadro na sala de estar e o prego atinge um fio
fase na parede, conectando diretamente o fio fase a terra.
Quando um fio fase de 120 volts se conecta diretamente a terra,
seu efeito é enviar tanta eletricidade quanto possível através da conexão. O
dispositivo ou o cabo na parede explodiria em uma situação dessas (o cabo na
parede ficaria quente como a resistência de um forno elétrico). Um fusível é
um dispositivo simples projetado para superaquecer e queimar extremamente
rápido em uma situação dessa. Em um fusível, um pedaço fino de fio vaporiza
rapidamente quando uma corrente elevada passa por ele. Isso interrompe a
corrente no cabo imediatamente, protegendo-o do superaquecimento. Os
fusíveis devem ser substituídos cada vez que queimarem. Um disjuntor usa o
calor de uma sobrecarga para acionar um mecanismo e abrir como uma chave,
por isso os disjuntores podem ser religados.
A energia, então, entra na casa através de um típico quadro de disjuntores
como este de cima.
Dispositivos de segurança: disjuntores
Dentro do quadro de disjuntores (à direita) você pode ver os dois
fios principais do transformador entrando na parte superior do disjuntor
geral. O disjuntor geral permite que você interrompa a energia do quadro
inteiro quando necessário. Dentro desse arranjo, todos os cabos seguem para
as diversas tomadas e luzes da casa, através de um disjuntor ou fusível:
Se o disjuntor estiver acionado, a energia fluirá através dos fios
na parede e eventualmente fará seu caminho até o destino final: a tomada.
Que história incrível! É necessário todo esse equipamento para
que a energia da usina elétrica chegue até seu quarto.
Da próxima vez que você viajar por uma estrada e olhar para as
linhas de energia, ou da próxima vez que acender a luz, vai entender muito
melhor o que está acontecendo. A rede de distribuição de energia é, na
verdade, um sistema incrível.
Conheça:
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