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A energia elétrica tradicionalmente é produzida em centrais de geração de grande porte, localizadas, em geral, a longas distâncias dos centros de carga e transportada por meio dos sistemas de transmissão da alta tensão (STAT) e distribuição para suprimento pelos consumidores. O sistema de transmissão recebe a energia elétrica da geração via SE coletoras e a transporta em grandes blocos por meio de linhas de transmissão de ultra alta tensão (UAT) e extra alta tensão (EAT) para grandes centros de carga a grandes distâncias. Ao longo dos sistemas de transmissão e distribuição de energia, estão alocadas subestações abaixadoras de energia compostas de um ou mais transformadores de potência, com a função principal de baixar o nível de tensão para valores adequados. No sistema de subtransmissão, linhas de alta tensão (AT) interligam subestações dentro de uma determinada região, transportando energia capaz de atender pequenas cidades, agrupamentos de cidades, interior de grandes centros urbanos e consumidores industriais de grande porte. O sistema de produção de energia elétrica brasileiro é caracterizado como hidrotérmico de grande porte, com predominância hidrelétrica. O STAT compreende o sistema interligado nacional (SIN) que tem como cerne a chamada rede básica. Na rede básica predominam níveis de tensão maiores ou iguais a 230 kV (duzentos e trinta mil volts). Na Figura 2.1 é mostrado um diagrama unifilar simplificado que ilustra os subsistemas de geração, transmissão e distribuição com suas respectivas faixas de tensão. A

classificação dos níveis de tensão em UAT, EAT, AT, MT e BT não é uma regra rígida e varia de acordo com o padrão adotado no país (BRAND; LOHMANN; WIMMER, 2003; EL- HAWARY, 2000).

Figura 2.1 - Diagrama unifilar simplificado do SEP.

SDMT SE Transmissora AT SE Distribuidora SDBT SDBT SDBT MT/BT MT-BT AT-MT UAT-EAT UAT EAT SE Transmissora EAT-AT

Sistema de Transmissão Sistema de sub-transmissão_{(SDAT) Primário (SDMT) e Secundário (SDBT)}Sistema de distribuição

TD TD TD TR TR TR TR SDMT Sistema de Geração Geração _MT-AT G

Fonte: Elaborado pelo autor G SE UAT EAT AT MT BT SDMT SDBT TR TD Legenda: - Geração (12 kV - 24 kV) - Subestação

- Ultra alta tensão (V > 765 kV)

- Extra alta tensão (300 kV V 765 kV) - Alta tensão (35 kV < V 245 kV)

- Média tensão (1 kV < V 35 kV) - Baixa tensão (V 1 kV)

- Sistema de distribuição primário ou de média tensão - Sistema de distribuição secundário ou de baixa tensão - Transformador de potência

- Transformador de distribuição

No Brasil, o sistema de subtransmissão é denominado Sistema de Distribuição de Alta Tensão (SDAT). Além do SDAT, compreende o sistema de distribuição brasileiro as subestações distribuidoras (SED), os sistemas de distribuição de média tensão (SDMT) e os sistemas de distribuição de baixa tensão (SDBT). Na Tabela 2.1 são apresentados os níveis de tensão, o tipo de conexão e a tensão nominal de cada subsistema estabelecido pela Aneel nos procedimentos de distribuição (ANEEL, 2016).

Tabela 2.1 - Tensões padronizadas no Brasil.

Sistema Conexão Tensão Nominal

STAT (rede básica) Trifásico ≥ 230.000 V

SDAT Trifásico 69.000 V e 138.000 V

SDMT Trifásico 13.800 V e 34.500 V

SDBT Trifásico 380 / 220 V e 220 / 127 V

Monofásico 440 / 220 V e 254 / 127 V Fonte: (ANEEL, 2016)

Os sistemas de transmissão e distribuição são predominantemente aéreos e extremamente susceptíveis a faltas elétricas que impactam na confiabilidade do sistema. Os recursos operacionais para garantir a continuidade do fornecimento de energia aos consumidores de AT, MT e BT, após uma falta, dependem dos sistemas de proteção e automação, da capacidade de geração, da quantidade e capacidade dos transformadores nas

subestações, dos arranjos elétricos dos barramentos das SED, das topologias dos sistemas de transmissão e distribuição e da capacidade dos condutores das linhas de transmissão ao longo dos alimentadores.

2.2.2 Sistema de distribuição de energia elétrica

As subestações são compostas por conjuntos de elementos, com funções específicas no sistema elétrico, denominados vãos ou bays. Segundo a norma IEC 61.850, os bays

consistem em subpartes da subestação, intimamente ligadas e com funcionalidades comuns (IEC/TR 61.850-1, 2003). As SED são supridas através das subestações de fronteiras localizadas no limite entre os sistemas de transmissão e distribuição de energia e suprem o SDMT e o SDBT.

Tradicionalmente, as redes elétricas de distribuição de energia são aéreas e projetadas com topologias predominantemente radiais, caracterizadas pelo fluxo de potência unidirecional, fluindo de SED para os consumidores conectados aos sistemas de distribuição primário (SDMT) e secundário (SDBT), conforme ilustrado no diagrama unifilar da Figura 2.2.

Figura 2.2 - Sistema de distribuição de energia elétrica em média e baixa tensão.

Tronco de alimentadores

Ramais

Sistema de Distribuição Primário (SDMT) e Secundário (SDBT)

R R R R S IC S Barra MT Ramais BT - M T MT-BT MT -BT MT-BT MT-BT M T -BT BT -M T MT-BT M T -BT

Subestação Distribuidora - SED

R R R R BT -M T BT - M T D Barra AT D AT-MT IC IC IC

Fonte: Elaborado pelo autor.

Legenda: Transformador de Distribuição D Disjuntor R Religador Chave motorizada Seccionalizador Regulador de tensão Chave fusível

Chave secionadora monofásica manual Banco de capacitores

S

IC Indicador de falta ou curto-circuito

Transformador de Potência AT-MT

MT-BT Pára-raios

O SDMT, conforme ilustrado no diagrama unifilar, é composto de um conjunto de alimentadores de distribuição derivados do barramento de média tensão da SED. Cada alimentador é composto de um alimentador principal, também denominado tronco de alimentador, do qual são derivados vários circuitos denominados ramais ou laterais. Dessa forma, os vãos de saída dos alimentadores da SED suprem o SDMT, que por sua vez alimentam consumidores em MT e transformadores de distribuição, que suprem os consumidores de BT (HEYDT, 2010).

2.2.2.1 Topologia radial

A topologia radial não possui recursos operacionais para transferência de carga em condições de contingência, consequentemente apresenta baixa confiabilidade. A topologia radial tem a vantagem de proporcionar fácil coordenação das proteções e localização de faltas (ZIDAN; EL-SAADANY; EL CHAAR, 2011b). No entanto, a eliminação de uma falta pela proteção nesse tipo de topologia, normalmente implica em um número significativo de consumidores sem energia e em áreas sãs da rede elétrica fora de serviço.

A falta de recursos operacionais impede o restabelecimento de trechos sãos (sem defeito) por meio de transferência de carga. Conforme pode ser observado no diagrama unifilar do sistema de distribuição mostrado na Figura 2.2, o sistema radial não possui recurso para transferência de carga entre alimentadores da mesma subestação ou entre subestações.

Nos últimos anos, para melhorar a qualidade dos serviços prestados, os quais são medidos pelos índices de qualidade de energia e estabelecidos pelos órgãos reguladores, as concessionárias de energia elétrica estão investindo na modernização da infraestrutura da rede de distribuição, transformando as topologias radiais em topologias radiais com recurso.

2.2.2.2 Topologia radial com recurso

A topologia radial com recurso compreende uma rede radial normal com chaves normalmente abertas (Tie) instaladas entre alimentadores de uma mesma subestação e/ou de subestações distintas (SAMPAIO et al., 2012). Essa topologia proporciona recursos operacionais para transferência de carga entre alimentadores de uma mesma subestação ou de subestações distintas, em caso de ocorrência de faltas permanentes ou necessidade de manutenção, conforme ilustrado no diagrama unifilar da Figura 2.3. Conforme pode ser observado no diagrama unifilar, a chave de transferência (Tie) entre os trechos T2 do

alimentador AL1 da SED1 e T4 do alimentador AL2 da SED2 permite a transferência de carga entre os alimentadores das subestações, enquanto a chave Tie entre os trechos T5 e T8 permite a transferência de carga entre os alimentadores AL2 e AL3 da SED2.

Figura 2.3 - SDMT com topologia radial com recurso.

T1 T2 T4 T5 T6 T7 AL1 AL2 AL3 T8 R D SED2 SED1 D R R T3

Fonte: Elaborado pelo autor.

Legenda:

Transformadores de potência das SED.

D 1

Disjuntor geral de barra em estado normalmente fechado.

R Religador em estado normalmente fechado.

Religador, secionalizador, chave manual ou motorizada em estado normalmente fechado. Chave de encontro de alimentadores.comando manual ou motorizada em estado normalmente aberto

AL T

Alimentador Trecho