TRANSIMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DA ENERGIA ELÉTRICA

 

Usinas geradoras de energia elétrica

Sabemos que a energia elétrica utilizada em nossas casas, nas indústrias, etc. chega até nós por meio de uma corrente alternada.

Esta corrente é produzida nas grandes centrais elétricas por geradores. Estes geradores nada mais são do que dispositivos que transformam uma forma qualquer de energia em energia elétrica. Em uma usina hidrelétrica, por exemplo, a energia mecânica da queda d´àgua é usada para colocar o gerador em rotação e, portanto, nestas usinas, temos a transformação de energia mecânica em energia elétrica.

 

Nas usinas termelétricas, o gerador é acionado pelo vapor d´àgua que sai de uma caldeira aquecida. Para aquecer esta caldeira, utiliza-se o calor desenvolvido na combustão de óleo ou carvão e, assim, nestas usinas temos a transformação da energia térmica em energia elétrica. As usinas nucleares funcionam da mesma maneira que uma usina termelétrica, com a única diferença que o calor utilizado para produzir o vapor que aciona o gerador é obtido por meio de reações nucleares que se desenvolvem em um reator atômico. Portanto, nestas usinas, temos a transformação de energia nuclear em energia elétrica.

 

Por que a Transmissão de Energia Elétrica é feita com Alta Voltagem

Qualquer que seja o tipo de usina escolhido para produção de energia elétrica, em qualquer parte do mundo, ela sempre será construída, como dissemos, para gerar corrente alternada. Procuraremos mostrar, a seguir, o motivo desta escolha, isto é, porque não se usa a corrente contínua para distribuir a energia elétrica produzida nas grandes usinas de qualquer país.

 

O motivo preponderante desta escolha está relacionado com as perdas de energia, por efeito Joule, que ocorrem nos fios usados para transportar a corrente elétrica a longas distâncias.
Para analisar este fato, consideramos a fig. 25-34, na qual vemos um gerador produzindo energia elétrica, que é transportada pelos fios AC e BD, para ser utilizada na rede elétrica de uma residência. Sendo Vab a voltagem entre os pólos do gerador e i a corrente nos fios, a potência fornecida pelo gerador é P1 = i Vab.

 

 

Mas, sendo r a resistência total dos fios transportadores, a potência desenvolvida nestes fios sob a forma de calor (efeito Joule) será P2 = ri2. Assim, a potência P, que é recebida na residência, será:

 

P = P1 - P2 ou P = iV ab - ri2

 

É evidente que a perda por efeito Joule (P2 = ri2) nos fios deve ser a menor possível. Para isto, deveríamos procurar diminuir os valores de r e i. O valor de r só pode ser diminuído se for aumentada a área de secção reta dos fios, isto é, usando-se fios mais grossos. Entretanto, existe um limite para este procedimento, pois cabos muito grossos, além de terem custo elevado, tornariam a rede de transmissão extremamente pesada. Assim, a solução mais adequada é procurar reduzir o valor da corrente i a ser transmitida.
Concluímos assim que, para reduzir as perdas por aquecimento nos fios transportadores, a energia elétrica deve ser transmitida com baixa corrente e alta voltagem.
Esta é exatamente a solução adotada pelos engenheiros eletricistas ao projetarem as linhas de transmissão. O valor da alta voltagem usada em cada caso, depende da potência a ser transmitida e da distância entre a usina e o local de consumo. Assim, são usada voltagens de 100.000 V, 250.000 V, 480.000 V etc. e, atualmente, já são projetadas transmissões com até 1.000.000 V. Não é possível, entretanto, elevar indefinidamente o valor destas altas voltagens porque acima de certos valores o ar em volta do fio torna-se condutor, permitindo o escoamento de eletricidade, o que constituiria uma outra forma de perda de potência.

A Voltagem Alterada pode ser facilmente Elevada ou Reduzida

As altas voltagens necessárias para a transmissão da energia elétrica não podem ser fornecidas diretamente por um gerador, seja ele de corrente alternada, seja de corrente contínua. De fato os maiores geradores existentes nas grandes usinas fornecem voltagens situadas apenas em torno de 10.000 V. Então torna-se necessário, para a transmissão, elevar consideravelmente os valores das voltagens fornecidas pelos geradores.

Se o gerador fosse de corrente contínua, não haveria condições de resolver este problema, pois, conforme estudamos, um elevador de voltagem, isto é, um transformador, não funciona com corrente contínua. Por outro lado, se o gerador for de corrente alternada, será relativamente fácil elevar a voltagem produzida usando-se aquele aparelho. Além disso, devemos nos lembrar que, ao chegar nos centro de consumo, a alta voltagem deverá ser reduzida antes de ser distribuída. Evidentemente, seria fora de propósito um consumidor receber em sua casa voltagens de valores tão elevado como aqueles usados na transmissão.
Como o uso de corrente alternada, este problema também é facilmente resolvido usando-se novamente um transformador, agora para reduzir os valores da alta voltagem. Esta facilidade que é encontrada para elevar ou reduzir uma voltagem alternada é o fator preponderante que levou os engenheiros a darem preferência aos sistemas de produção, transmissão e distribuição de energia elétrica por meio de corrente alternada.

 

Se o gerador fosse de corrente contínua, não haveria condições de resolver este problema, pois, conforme estudamos, um elevador de voltagem, isto é, um transformador, não funciona com corrente contínua. Por outro lado, se o gerador for de corrente alternada, será relativamente fácil elevar a voltagem produzida usando-se aquele aparelho. Além disso, devemos nos lembrar que, ao chegar nos centro de consumo, a alta voltagem deverá ser reduzida antes de ser distribuída. Evidentemente, seria fora de propósito um consumidor receber em sua casa voltagens de valores tão elevado como aqueles usados na transmissão.
Como o uso de corrente alternada, este problema também é facilmente resolvido usando-se novamente um transformador, agora para reduzir os valores da alta voltagem. Esta facilidade que é encontrada para elevar ou reduzir uma voltagem alternada é o fator preponderante que levou os engenheiros a darem preferência aos sistemas de produção, transmissão e distribuição de energia elétrica por meio de corrente alternada.

 

A Utilidade do Transformador na Transmissão da Energia Elétrica

Vendo a figura apresentada, vemos um esquema de distribuição de energia elétrica, mostrando as sucessivas transformações de voltagem que ocorrem desde a geração na usina até sua utilização pelo consumidor.
Observe que logo após a voltagem alternada ser produzida em um gerador (com cerca de 10.000 V), o seu valor é elevado (para 300.000 V, por exemplo) por meio de transformadores existentes na subestação próxima à usina. Com esta alta voltagem, a energia elétrica é transportada a longas distâncias até chegar no centro consumidor (uma cidade, por exemplo), nas proximidades do qual se localiza uma outra subestação. Neste local. os transformadores reduzem a voltagem para os valores (cerca de 13.000 V) com os quais ela é distribuída aos consumidores industriais e pelas ruas da cidade. Finalmente, nas proximidades das residências existem transformadores (nos postes da rua) que reduzem ainda mais a voltagem (para 110 V ou 22 V), de modo que ela possa ser utilizada, sem riscos, pelo consumidor residencial.

 

Voltagem de pico e voltagem eficaz

Portanto, a voltagem que recebemos em nossas residências, proveniente do transformador de rua, é uma voltagem alternada, isto é, o seu sentido é invertido periodicamente, como mostra o gráfico a seguir. Como já dissemos, estas inversões de sentido são muito rápidas, pois sua frequência é de 60 hertz, isto é, a voltagem muda de sentido 120 vezes por segundo.
Vemos pelo gráfico, que a voltagem não é constante, como acontece com uma corrente contínua. O seu valor varia rapidamente: passa por um valor máximo, descrece, chega a zero, inverte de sentido, atinge um valor igual ao valor máximo, porém sem sentido contrário, torna a se anular e assim sucessivamente.
O valor máximo atingido pela voltagem alternada é denominado valor de pico e, para o caso mostrado na fig. 25-36, este valor é de 154 V.

Entretanto, quando fornecemos o valor de uma voltagem alternada, estamos normalmente nos referindo não à voltagem de pico, mas a uma quantidade denominada valor eficaz da voltagem. Este valor eficaz seria o valor de uma voltagem constante (contínua) que dissipasse, durante o tempo de um período, em que uma resistência R, a mesma energia térmica que é dissipada em R pela voltagem alternada, durante o mesmo intervalo de tempo. Pode-se mostrar que entre a voltagem eficaz e a voltagem de pico existe a seguinte relação:

 

Entretanto, quando fornecemos o valor de uma voltagem alternada, estamos normalmente nos referindo não à voltagem de pico, mas a uma quantidade denominada valor eficaz da voltagem. Este valor eficaz seria o valor de uma voltagem constante (contínua) que dissipasse, durante o tempo de um período, em que uma resistência R, a mesma energia térmica que é dissipada em R pela voltagem alternada, durante o mesmo intervalo de tempo. Pode-se mostrar que entre a voltagem eficaz e a voltagem de pico existe a seguinte relação:

 

Então, para o caso da fig. 25-36, o valor da voltagem eficaz é:

 

 

O Fio "Neutro" e os Fios de "Fase"

Na fig. 25-37 mostramos como usualmente a voltagem obtida no transformador de rua é transferia para uma residência.

Isto é feito por meio de três fios: um deles, denominado fio neutro, sai do ponto central do secundário do transformador que está ligado à Terra; os outros dois são denominados fios de base e saem dos pontos extremos deste secundário. Entre cada fase e o neutro existe uma voltagem eficaz de 110 V. Assim, na fig. 25-37 temos VAB = 110 V e
VBC = 110 V
. Entre as duas fases há uma voltagem eficaz de 220 V. Então, na residência mostrada nesta figura, é possível instalar tomadas de 110 V (usando-se uma fase e um neutro) e tomadas de 220 V (usando-se as duas fases).
Em algumas instalações elétricas, entretanto, a residência é ligada ao transformador de rua apenas por uma das fases e pelo neutro. É claro que nestas residências só poderão ser instaladas tomadas de 110 V.

 

Isto é feito por meio de três fios: um deles, denominado fio neutro, sai do ponto central do secundário do transformador que está ligado à Terra; os outros dois são denominados fios de base e saem dos pontos extremos deste secundário. Entre cada fase e o neutro existe uma voltagem eficaz de 110 V. Assim, na fig. 25-37 temos VAB = 110 V e
VBC = 110 V
. Entre as duas fases há uma voltagem eficaz de 220 V. Então, na residência mostrada nesta figura, é possível instalar tomadas de 110 V (usando-se uma fase e um neutro) e tomadas de 220 V (usando-se as duas fases).
Em algumas instalações elétricas, entretanto, a residência é ligada ao transformador de rua apenas por uma das fases e pelo neutro. É claro que nestas residências só poderão ser instaladas tomadas de 110 V.

 

Linhas de Transmissão com Corrente Contínua

Nos últimos tempos, algumas novidades tem surgido relacionadas com a transmissão de energia elétrica a longas distâncias. Os engenheiros e técnicos tem constatado que, para transmissão a distâncias superiores a cerca de 500 km, a corrente contínua mostra-se mais vantajosa do que a corrente alternada. Isto ocorre principalmente pelos motivos que analisaremos a seguir.
Sabe-se que o método mais adequado para transmitir corrente alternada é o sistema denominado trifásico, que utiliza três cabos ligando os dois pontos de transmissão (observe o sistema de alta voltagem nos postes de rua, que é exatamente deste tipo, utilizando três fios). Por outro lado, um sistema de transmissão com corrente contínua seria apenas 2/3 daquele que se tem em uma linha de corrente alternada. Além disso, pode-se mostrar que, para se obter a mesma perda por efeito Joule, os cabos em corrente alternada teriam que ser mais grossos do que em corrente contínua.
Verifica-se que, apesar destas vantagens, a corrente contínua apresenta alguns inconvenientes, pois sua voltagem nãp pode ser transformada facilmente, como já sabemos. Assim, para transmissão em corrente contínua, os geradores devem ainda ser de voltagem alternada, e só depois que esta voltagem é aumentada por meio dos transformadores é que ela é retificada para ser transmitida. Ao chegar ao local de consumo, a corrente contínua deve ser transformada novamente em corrente alternada para que sua voltagem possa ser reduzida antes de ser distribuída. É claro que todas estas transmissões a longas distâncias as economias feitas com os cabos poderão compensar estes custos. Em países de grandes dimensões, como a União Soviética, os Estados Unidos e o Brasil, essas condiçoes são fáceis de ocorrer e, por isso mesmo, o sistema de transmissão com corrente contínua já se encontra em implantação nestes países.

 

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