MÓDULO I | Eletricidade | Transmissão de Energia Elétrica
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Uso abusivo de energia elétrica pode ser um problema
ELETROTCNICA PARA ELETRICISTA
ELABORAO PROFESSORA ANGELA RIBEIRO
Prof: ANGELA RIBEIRO
CAPTULO 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 1.0- ENERGIA Freqentemente usamos a palavra energia. s vezes, ouvimos dizer que determinado alimento rico em energia, que recebemos energia do sol ou ento, que o custo da energia eltrica aumentou. A energia est presente em quase todas as atividades do homem moderno. Na Fsica, costuma-se introduzir o conceito dizendo que a energia est sempre associada a capacidade que um corpo tem de realizar um determinado trabalho. Por exemplo, uma pessoa capaz de realizar trabalho de suspender um corpo graas energia que lhe fornecida pelos alimentos que a pessoa ingere. Do mesmo modo, a gua em uma cachoeira possui energia, porque capaz de realizar o trabalho de movimentar uma usina eltrica. 1.1- Energia e Trabalho Energia a capacidade de produzir trabalho e ela pode se apresentar sob vrias formas: energia potencial; energia cintica; energia Trmica; energia Mecnica; energia Eltrica; energia Qumica; energia Atmica, etc. Uma das mais importantes caractersticas da energia a possibilidade de sua transformao de uma forma para outra. Por exemplo: pode-se citar uma mola comprimida ou estendida, e a gua, represada ou corrente, etc. Existem trs maneiras de aproveitar a energia de uma queda dgua: 1. Utilizando, diretamente, a energia hidrulica para girar a mquina ( o caso do moinho); 2. Transform-la em energia mecnica (atravs de uma turbina, por exemplo) e transport-la at o local de trabalho atravs de um problemtico e custoso sistema de polias; 3. Transform-la em energia eltrica (turbina e gerador) e transport-la at o local de trabalho praticamente sem perdas. Evidentemente, o terceiro mtodo o mais conveniente principalmente se observarmos que as quedas dgua se localizam a grandes distncias dos pontos em que se necessita da energia. A energia potencial quando se encontra em repouso, ou seja, armazenada em um determinado corpo. Como exemplo de energia potencial, pode-se citar um veculo no topo de uma ladeira e a gua de uma represa. A energia cintica a conseqncia do movimento de um corpo. Como exemplos de energia cintica pode-se citar um esqueitista em velocidade que aproveita a energia cintica para subir uma rampa ou a abertura das comportas de uma represa que faz girarem as turbinas dos geradores das hidroeltricas. A energia mecnica a soma da energia potencial com a energia cintica presentes em um determinado corpo. Ela se manifesta pela produo de um trabalho mecnico, ou seja, o deslocamento de um corpo. A energia trmica se manifesta atravs da variao da temperatura nos corpos. A mquina a vapor, que usa o calor para aquecer a gua transformando-a em vapor que acionar os pistes, pode ser citada como exemplo de energia trmica. A energia qumica manifesta-se quando certos corpos so postos em contato, proporcionando reaes qumicas. O exemplo mais comum de energia qumica a pilha eltrica. A energia eltrica manifesta-se por seus efeitos magnticos, trmicos, luminosos, qumicos e fisiolgicos. Como exemplo desses efeitos, podemos citar: a rotao de um motor (efeito eletromagntico), o aquecimento de uma resistncia para esquentar a gua do chuveiro (efeito trmico), a luz de uma lmpada (efeito luminoso), a eletrlise da gua (efeito qumico), a contrao muscular de um organismo vivo ao levar um choque eltrico (efeito fisiolgico).
1.1.2- Energia Eltrica A energia eltrica a propriedade de um sistema eltrico que permite a realizao de trabalho. Ela obtida atravs de vrias formas. O que chamamos de eletricidade pode ser entendido como energia eltrica se, no fenmeno descrito a eletricidade realiza trabalho por meio de cargas eltricas, como a mecnica e a qumica. 1.1.3 - Conservao de Energia A energia no pode ser criada, nem destruda. Ela nunca desaparece, apenas se transforma, ou seja, passa de uma forma de energia para outra. A energia eltrica pode ser um subproduto de outras formas de energia. H vrios tipos de transformao de energia e vamos citar os mais comuns: 1. 2. 3. Transformao de energia qumica em energia eltrica por meio da utilizao de baterias ou acumuladores que, por meio de uma reao qumica geram ou armazenam energia eltrica. Transformao de energia mecnica em energia eltrica, quando a gua de uma represa flui atravs das comportas e aciona as turbinas dos geradores da hidroeltrica. Transformao de energia eltrica em mecnica que acontece nos motores eltricos que, ao receberem a energia eltrica em seu enrolamento, transformam-na em energia mecnica pela rotao de seu eixo.
1.2- GERAO DE ENERGIA ELTRICA A energia eltrica que alimenta as indstrias, comrcio e nossos lares gerada principalmente em usinas hidreltricas, onde a passagem da gua por turbinas geradoras transformam a energia mecnica, originada pela queda dgua, em energia eltrica. Para chegar em nossas casas,nas indstrias, nas ruas, no comrcio, ela percorre um longo caminho a partir das usinas geradoras de energia. A energia eltrica a nica que admite esta facilidade de transporte. Assim, num sistema de aproveitamento da energia hidrulica, teramos o seguinte esquema. 1.2.1- Gerao A energia eltrica produzida a partir da energia mecnica de rotao de um eixo de uma turbina que movimenta um gerador. Esta rotao causada por diferentes fontes primrias, como por exemplo, a fora da gua que cai (hidrulica), a fora do vapor (trmica) que pode ter origem na queima do carvo, leo combustvel ou, ainda, na fisso do urnio (nuclear).
1.2.2-Transmisso As usinas hidroeltricas nem sempre se situam prximas aos centros consumidores de energia eltrica. Por isso, preciso transportar a energia eltrica produzida nas usinas at os locais de consumo: cidades, indstrias, propriedades rurais, etc. Para viabilizar o transporte de energia eltrica, so construdas as Subestaes elevadoras de tenso e as Linhas de Transmisso.
1.2.3- Distribuio Nas cidades so construdas as subestaes transformadoras. Sua funo baixar a tenso do nvel de Transmisso (muito alto), para o nvel de Distribuio. A Rede de Distribuio recebe a energia eltrica em um nvel de tenso adequado sua Distribuio por toda a cidade, porm, inadequada para sua utilizao imediata para a maioria dos consumidores. Assim, os transformadores instalados nos postes das cidades fornecem a energia eltrica diretamente para as residncias, para o comrcio e outros locais de consumo, no nvel de tenso, adequado utilizao.
As etapas de Gerao, Transmisso, Distribuio e da utilizao da energia eltrica, podem ser assim representadas:
No Brasil a GERAO de energia eltrica 80% produzida a partir de hidreltricas, 11% por termoeltricas e o restante por outros processos. A partir da usina a energia transformada, em subestaes eltricas, e elevada a nveis de tenso (69/88/138/240/440 kV) e transportada em corrente alternada (60 Hertz) atravs de cabos eltricos, at as subestaes rebaixadoras, delimitando a fase de Transmisso. J na fase de Distribuio (11,9 / 13,8 / 23 kV), nas proximidades dos centros de consumo, a energia eltrica tratada nas subestaes, com seu nvel de tenso rebaixado e sua qualidade controlada, sendo transportada por redes eltricas areas ou subterrneas, constitudas por estruturas (postes, torres, dutos subterrneos e seus acessrios), cabos eltricos e transformadores para novos rebaixamentos (110 / 127 / 220 / 380 V), e finalmente entregue aos clientes industriais, comerciais, de servios e residenciais em nveis de tenso variveis, de acordo com a capacidade de consumo instalada de cada cliente.
1.3 PRINCIPAIS EVENTOS E DESCOBERTAS NA HISTRIA DA ELETRICIDADE Ao longo do tempo, a eletricidade foi marcada pela evoluo tcnica e pelos desenvolvimentos cientficos, estendendo-se a diversos campos da cincia e a inmeras aplicaes prticas. Ser apresentada a seguir, uma abordagem simples sobre a evoluo da eletricidade. Em ordem cronolgica alguns fatos de grande importncia no desenvolvimento de teorias e conceitos sobre eletricidade. A palavra Eletricidade provm do latim electricus, que significa literalmente produzido pelo mbar por frico. Este termo tem as suas origens na palavra grega para mbar elektron. O filsofo grego, Tales de Mileto, ao esfregar um pedao de mbar numa pele de carneiro, observou que este atraa pedaos de palha. Em 1600 William Gilbert estudando esses fenmenos, verificou que outros corpos possuiam a mesma propriedade do mbar. Designou-os com o nome latino electrica. A partir de 1729, Stephen Gray descobriu a conduo da eletricidade, distinguindo entre condutores e isolantes eltricos, bem como, da induo eletrosttica. Benjamin Franklin descobriu em 1750 que, os relmpagos so o mesmo que descargas eltricas e inventou o pra-raios. Charles Augstin de Coulomb publicou em 1785, estudos sobre medio das foras de atrao e repulso entre dois corpos eletrizados (Lei de Coulomb).
Em 1788 James Watt construiu a primeira mquina a vapor. Esse invento que impulsionou a 1 Revoluo Industrial. Em sua homenagem, foi dado o seu nome unidade de potncia eltrica: Watt (W). Foi fundado na Inglaterra em 1799, o Royal Institution of Great Britain que ajudou o campo de investigao da eletricidade e magnetismo. Alessandro Volta em 1799, provou que a eletricidade podia ser produzida utilizando metais diferentes separados por uma soluo salina. Volta utilizou discos de cobre e zinco separados por feltro embebido em cido sulfrico para produzir este efeito. Alessandro Volta explicou a experincia de Luigi Alosio Galvani em 1786, colocando entre dois metais a perna de uma r morta, produzindo contraes nesta. Ao agregar estes discos uns por cima dos outros, Volta criou a pilha eltrica. A pilha foi a primeira forma controlada de eletricidade contnua e estvel. Em sua homenagem, foi dado o seu nome unidade de medida de potencial eltrico: Volt (V). Em 1819, Hans Christian Oersted detectou e investigou a relao entre a eletricidade e o magnetismo (eletromagnetismo). Andr Marie Ampre desenvolveu em 1820, um estudo e estabeleceu as leis do eletromagnetismo. Em sua homenagem, foi dado o seu nome unidade de medida de intensidade de corrente eltrica: Ampre (A). Em 1827, Joseph Henry iniciou uma srie de experincias eletromagnticas e descobriu o conceito de induo eltrica, construindo o primeiro motor eltrico. Georg Simon Ohm em 1827, trabalhando no campo da corrente eltrica desenvolveu a primeira teoria matemtica da conduo eltrica nos circuitos: Lei de Ohm. O trabalho s foi reconhecido em 1841. Em sua homenagem, foi dado o seu nome unidade de resistncia eltrica: Ohm ( ). Em 1831, Michel Faraday descobriu o fenmeno da induo eletromagntica, explicando que necessria uma alterao no campo magntico para criar corrente. Faraday descobriu que a variao na intensidade de uma corrente eltrica que percorre um circuito fechado, induz uma corrente numa bobina prxima. Observou tambm, uma corrente induzida ao introduzir-se um im nessa bobina. Estes resultados tiveram uma rpida aplicao na gerao de corrente eltrica. Em 1838, Samuel Finley Breese Morse conclui o seu invento do telgrafo. Em 1860, Antonio Pacinotti construiu a primeira mquina de corrente contnua com enrolamento fechado em anel. Nove anos depois, Znobe Gramme apresentou a sua mquina dnamo eltrico, aproveitando o enrolamento em anel. Em 1875 foi instalado, em uma estao de trem em Paris, um gerador para acender as lmpadas da estao, atravs da energia eltrica. Foram fabricadas mquinas a vapor para movimentar os geradores. A distribuio de eletricidade feita inicialmente em condutores de ferro, posteriormente de cobre e a partir de 1850, os fios so isolados por uma goma vulcanizada. Em 1873 foi realizada pela primeira vez a reversibilidade das mquinas eltricas, atravs de duas mquinas Gramme que funcionavam, uma como geradora e a outra como motora. Ainda neste mesmo ano foi publicado o Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo por James Clerk Maxwell. Este tratado, juntamente com as experincias levadas a efeito por Heinrich Rudolph Hertz em 1885 sobre as propriedades das ondas eletromagnticas geradas por uma bobina de induo, demonstrou que as ondas de rdio e luz so ondas eletromagnticas, diferindo apenas na sua freqncia. Em 1876, Alexandre Graham Bell patenteou o primeiro telefone com utilizao prtica. Thomas Alvas Edison fez uma demonstrao pblica de sua lmpada incandescente, em 1879. Essa lmpada possibilitou o fim da iluminao feita atravs de chama de azeite, gs, etc, que foi
substituda pela iluminao de origem eltrica. No mesmo ano, Ernest Werner Von Siemens ps em circulao, em uma exposio em Berlim, o primeiro comboio movido a energia eltrica. A primeira central hidroeltrica foi instalada em 1886 nas cataratas do Nigara. Na dcada subseqente foram ensaiados, os primeiros transportes de energia eltrica em corrente contnua. Mquinas eltricas como o alternador, o transformador e o motor assncrono foram desenvolvidos ao ser estabelecida a supremacia da corrente alternada sobre a corrente contnua. Gugliemo Marchese Marconi aproveitando estas idias dez anos mais tarde, utiliza ondas de rdio no seu telgrafo sem fio. Em 1901 foi transmitida a primeira mensagem de rdio atravs do Oceano Atlntico. O eltron, partcula de carga negativa presente no tomo, foi descoberto por Joseph Jone Thompson em 1897. Em 1907 Ernest Rutherford, Niels Bohr e James Chadwick estabeleceram a atual definio de estrutura do tomo, at ento, considerada a menor poro de matria no divisvel.