Características das Redes de Distribuição

De uma forma geral, a confiabilidade dos sistemas de distribuição está diretamente relacionada às suas configurações. Eles podem operar em configuração radial, com possibilidade de transferência de cargas, quando de contingências. Com cuidados especiais, no que se refere à proteção, podem também operar em malha. Este post aborda as diferentes opções de sistemas de distribuição, enfocando as suas vantagens e desvantagens.

Será analisado, inicialmente, o Sistema de Distribuição em Malha. Na Figura 1 é ilustrado um exemplo de sistema de distribuição [1].

Na condição normal observa-se, inicialmente, a impossibilidade de controle da distribuição do fluxo de potência na rede de sub transmissão, isto é, ter-se-á a sua distribuição em obediência às leis de Ohm e Kirchoff.

Já na condição de contingência, quando, devido a existência de falha na transmissão, conforme ilustrado na Figura 2, ocorrerá a isolação do trecho de transmissão, pela abertura dos dois disjuntores extremos, passando a carga a jusante do sistema de transmissão a ser suprida pela rede de sub transmissão, com inversão no sentido de fluxo pelo transformador.

Na Figura 3 são ilustrados diversos quatro outros sistemas de distribuição na configuração radial. Ficam as indagações: qual o que apresenta a maior confiabilidade e flexibilidade de operação? Qual o pior?

Dentre as configurações apresentadas, a rede 2 apresenta maior confiabilidade e flexibilidade de operação. Observa-se que em todos os arranjos o bloco situado imediatamente a montante do transformador, “chave de entrada”, representa um disjuntor, chave fusível ou uma chave secionadora. Apesar das qualidades da melhor rede, alguns atributos das outras redes merecem atenção. Essa características específicas serão analisadas a seguir.

A rede 1, detalhada na Figura 4, possui as seguintes características específicas:

• apresenta o menor custo de instalação;
• é utilizável quando o transformador da SE de distribuição não excede 15 MVA;
• sua confiabilidade está intimamente ligada ao trecho de rede de sub transmissão;
• a chave de entrada, que visa unicamente a proteção do transformador, é usualmente uma chave fusível, podendo ser utilizada uma chave secionadora, desde que o transformador fique protegido pelo sistema de proteção da rede de sub transmissão.

Por outro lado, a rede 2, detalhada na Figura 5, agrega as seguintes características:

• para defeitos a montante de uma das barras extremas da rede de sub transmissão ou num dos trechos da sub transmissão, o suprimento da carga não é interrompido permanentemente;
• as chaves de entrada são usualmente disjuntores ou chaves fusíveis, dependendo da potência nominal do transformador;
• essas chaves têm a função adicional de evitar que defeitos na SE ocasionem desligamento na rede de sub transmissão.

Já para a rede 3, detalhada na Figura 6, são observados os seguintes atributos:

• o barramento de alta da SE passa a fazer parte da rede de sub transmissão;
• a interrupção do suprimento é comparável com a do arranjo anterior, exceto pelo fato de que uma falha no barramento de alta da SE impõe o secionamento da rede de sub transmissão pela abertura das duas chaves de entrada;
• este inconveniente é eliminado instalando-se a montante das duas chaves de entrada uma chave de secionamento que opera normalmente aberta;
• as chaves de entrada são normalmente disjuntores.

Ao analisar a rede 4, detalhada na Figura 7, são observadas as seguintes características:

• este arranjo é conhecido como “sangria”;
• é de confiabilidade e custos inferiores aos das redes 2 e 3;
• é utilizável em regiões onde há vários centros de carga, com baixa densidade de carga;
• as chaves de entrada devem ser fusíveis ou disjuntores, tendo em vista a proteção da linha.

Análises especiais quanto às configurações das subestações podem ser vistas em profundidade na referência básica [1]. Ali são abordadas as configurações “barra simples”, “barra dupla”, “barra dupla evoluída” e “barra principal e de transferência”. Cada uma dessas configurações agregam confiabilidade e flexibilidades que merecem atenção especial.

Serão analisados, a seguir, os sistemas de distribuição primária, os quais possuem as seguintes características gerais:

• emergem das SE’s de distribuição e operam, no caso da rede aérea, radialmente, com possibilidade de transferência de blocos de carga entre circuitos para o atendimento da operação em condições de contingência;
• empregam, usualmente, condutores de seção 336,4 MCM, permitindo, na tensão de 13,8 kV, o transporte de potência máxima de cerca de 12 MVA, que, face a necessidade de transferência de blocos de carga entre alimentadores, fica limitada a cerca de 8 MVA;
• atendem aos consumidores primários (industrias de porte médio, conjuntos comerciais, instalações de iluminação pública, etc) e aos transformadores de distribuição que suprem a rede secundária, ou de baixa tensão;
• podem ser aéreas ou subterrâneas; as primeiras de uso mais difundidos; as segundas encontram maior aplicação em áreas de maior densidade de carga ou onde há restrições paisagísticas.

REDES AÉREAS DE DISTRIBUIÇÃO

As redes aéreas são construídas utilizando-se postes de concreto que suportam em seu topo a cruzeta, com cerca de dois metros de comprimento, na qual são fixados os isoladores de pino. Utilizam condutores de alumínio com alma de aço, CAA, ou sem alma de aço, CA, nus ou protegidos. Na Figura 8 é ilustrada a rede aérea tradicionalmente utilizada.

Na foto apresentada na Figura 8 é ilustrada rede aérea, na configuração convencional. Observa-se que ela alimenta uma subestação aérea (transformador de alimentação de rede de distribuição secundária).

Opcionalmente são utilizadas redes compactas em sistemas aéreos de distribuição, agregando basicamente as seguintes características:

• usam cabos protegidos, os quais contam com capa externa de material isolante que se destina à proteção contra contatos ocasionais de objetos, por exemplo, galhos de árvores, sem que se destine a isolar os condutores;
• para esses tipos  de cabos é possível a substituição da cruzeta por estrutura isolante; esse tipo de construção apresenta custo por quilômetro maior que o convencional, entretanto incorpora uma sensível redução nas taxas de falha, FEC;
• uma outra vantagem desse tipo de rede está associada à viabilização da passagem da linha por regiões, nas quais a configuração convencional não conseguiria.

Na Figura 10 é ilustrada uma rede aérea compacta, em região rural. Na Figura 11 é registrado detalhe de um vão apresentando os quatro condutores, sendo três relativos às fases elétricas e o superior o cabo de aço de sustentação das fases. Na Figura 12 é apresentado o detalhe de sustentação dos cabos de fase através de espaçador losangular isolante.

Na Figura 13 é apresentada a travessia de uma árvore, em trecho urbano, feito através de uma linha compacta. Observe à direita uma linha convencional em outro circuito. A travessia feita pela rede compacta, à esquerda, não seria possível através de uma rede na configuração convencional.

Na Figura 14 é apresentada uma situação mista (uso da configuração compacta em um circuito e a configuração convencional em outro circuito, ambos sustentados por um mesmo poste). Isso pode caracterizar uma situação de migração do sistema de tradicional para compacto. Observe que esse processo pode levar ao aproveitamento da cruzeta e a substituição do circuito convencional por dois compactos, transformando a linha original de um circuito simples convencional para um circuito triplo compacto, caso os esforços mecânicos sejam devidamente suportados.

Na Figura 15 são apresentados dois modelos de espaçadores losagulares isolantes de fabricantes distintos. Observe que as características dos caminho de fuga são bem diferentes, o que incorpora diferenciais operacionais, quando se tem em mente a operação da rede em regiões de poluição ambiental intensa.

Em simulações computacionais realizadas, observou-se desempenho distinto dos espaçadores analisados, em função da geometria, setor analisado e nível de poluição depositada. Vide resultados obtidos em uma das situações analisadas, registrados na Figura 16 [2] [3].

ESTAÇÕES TRANSFORMADORAS

Essas estações são montadas sobre os postes da rede de distribuição, conforme ilustrado nas Figuras 17 e 18, e possuem as seguintes características básicas [1]:

• são constituídas por transformadores que reduzem a tensão primária, ou média tensão, para a de distribuição secundária, ou baixa tensão;
• contam, usualmente, com para-raios, para proteção contra sobre tensões, e elos fusíveis para a proteção contra sobre correntes, instalados no primário;
• de seu secundário deriva-se, sem proteção alguma, a rede secundária;
• nas redes aéreas, são utilizados transformadores trifásicos, instalados diretamente nos postes; em geral, suas potências nominais são fixadas em 10,0 – 15,0 – 30,0 – 45,0 – 75,0 – 112,5 e 150 kVA;
• no Brasil, a tensão de distribuição secundária está padronizada nos valores 220/127 V e 380/220 V, havendo predomínio da primeira nos estados das regiões sul e sudeste e da segunda no restante do país;
• o esquema mais usual consiste na utilização de transformadores trifásicos, com resfriamento a óleo, estando os enrolamentos do primário ligados em triângulo e os do secundário em estrela aterrado;
• em alguns sistemas são utilizados transformadores monofásicos e bancos de transformadores monofásicos.

REDE DE DISTRIBUIÇÃO SECUNDÁRIA

Da estação transformadora, deriva-se a rede de baixa tensão, que pode operar em malha ou radial e que supre os consumidores de baixa tensão (residências, pequenos comércios e indústrias). Alcança por circuito, o comprimento da ordem de centenas de metros. Destaca-se o predomínio de consumidores residenciais. Nas Figuras 19 e 20, são afixados exemplos dessas redes.

Observa-se que a natureza de cada segmento do sistema define implicitamente o grau de confiabilidade que dele é exigido, em função do montante de potência transportado. Nesta hierarquia de responsabilidade, o primeiro elemento é a subestação de sub transmissão, responsável pela transferência de potência da ordem de centena de MVA, e o último é a rede de baixa tensão, na qual a potência em jogo é da ordem de dezenas de kVA. Neste contexto, a rede de distribuição secundária usualmente não conta com recursos para o atendimento de contingências.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

O sistema de distribuição possui relativa complexidade que requer atenção constante dos seus operadores e mantenedores, a despeito de suas configurações e confiabilidades dele exigidas. Ênfase especial deve ser dada ao desenvolvimento tecnológico que agrega constantemente novos modelos de distribuição e novos materiais, incorporando maior confiabilidade ao sistema. Neste contexto, foi dada ênfase especial às linhas compactas, as quais propiciam um convívio mais harmonioso com o ambiente, principalmente em áreas urbanas, em seus recantos arborizados. Essas linhas possuem, ainda, uma característica elétrica adicional atrelada a uma menor reatância por unidade de comprimento, o que implica em menores quedas de tensão ao longo de sua extensão. Entretanto, cuidados especiais precisam ser tomados com a sua aplicação em ambientes poluídos.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Kagan, N., Oliveira C. C.B., Robba E. J. “Introdução aos Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica”. Editora Edgard Blucher. 2005.

[2] Arcanjo A. M. C. “Avaliação de Espaçadores de 13,8 kV em Ambientes Contaminados”. Dissertação de Mestrado defendida no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Pernambuco. 2017.

[3] J.M.B. XAVIER J.A.R., L. D. J. S. L. Z. D. A. A. M. C. B.; SILVA, A. Computational and experimental analysis between compact distribution lines’ spacers under polluted environments. Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, CEIDP, 2016. Citado na página 71.