Distribuição de energia eléctrica na FEUP

 Distribuição de energia eléctrica na FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 19 deOutubro de 2009 Bruna Silva Bruno Santos Flávio Veloso Gonçalo Correia Henrique Cabral João Silva Mariana Guerra Relatório submetido pelo grupo ELE318 no âmbito do Projecto FEUP. Índice Índice ................................................................................................................................................................................. 1 Resumo .............................................................................................................................................................................. 2 Agradecimentos ............................................................................................................................................................. 3 Lista de figuras e tabelas ............................................................................................................................................ 4 Conceitos básicos .......................................................................................................................................................... 5 Níveis de tensão ............................................................................................................................................................. 6 Postos de Transformação .......................................................................................................................................... 7 Controlo de corrente .............................................................................................................................................. 7 Caso em estudo: FEUP ................................................................................................................................................ 8 Chegada da electricidade ...................................................................................................................................... 8 PTs privados ............................................................................................................................................................... 8 Segurança .................................................................................................................................................................... 9 Configuração .............................................................................................................................................................. 9 Consumo na FEUP...................................................................................................................................................... 11 Padrões de consumo ................................................................................................................................................. 11 Conclusão ...................................................................................................................................................................... 12 Referências ................................................................................................................................................................... 13 1 Resumo O trabalho desenvolvido pelo grupo ELE318 no âmbito do Projecto FEUP incidiu sobre a distribuição de energia eléctrica na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Após a fase inicial de aquisição de noções básicas sobre o tema (tensão, corrente, potência, etc.), foi investigada a utilização de diferentes níveis de tensão na rede de distribuição eléctrica. Com estes conhecimentos, foi possível compreender o propósito de um posto de transformação, o seu funcionamento a um nível conceptual e a utilização de mecanismos de protecção das linhas e dos utilizadores. Finalmente, este trabalho foi aplicado ao caso particular da FEUP. Assim, foram pesquisadas a chegada da electricidade à Faculdade, a utilização dos postos de transformação e a distribuição da energia aos consumidores finais. O presente relatório apresenta o trabalho realizado, juntamente com alguns dados das visitas efectuadas e da documentação gentilmente fornecida pela Faculdade. Após a introdução aos conceitos fundamentais, descreve‐se a chegada da electricidade e a utilização dos postos de transformação privados. São ainda apresentadas as medidas de segurança implementadas e a interligação dos vários postos, juntamente com as vantagens e desvantagens das soluções adoptadas. 2 Agradecimentos O grupo gostaria de agradecer à monitora Anabela Ribeiro, por todo o apoio e informação prestados, e ao supervisor Hélder Leite, pela sua coordenação e pelo esforço em obter toda a documentação imprescindível à realização do trabalho. 3 Lista de figuras e tabelas Fig. 1 ‐ Posto de transformação da FEUP. ........................................................................................................... 9 Fig. 2 ‐ Esquema da distribuição de energia eléctrica na FEUP. ............................................................. 10 Fig. 3 ‐ Despesas eléctricas da FEUP em 2006. .............................................................................................. 11 4 Conceitos básicos De forma a compreender o transporte de electricidade dos produtores aos consumidores, é necessário adquirir algumas noções básicas relativas a este tema. Comecemos então por explicar o que é a electricidade. Apesar de o termo “electricidade” ser um aglomerado relativamente vago de noções relacionadas, o seu significado mais comum é o de corrente eléctrica. Esta corrente é um movimento organizado de cargas num meio, mais comummente dos electrões livres de um condutor através deste. Uma metáfora útil para a compreensão deste fenómeno é a de um sistema hidráulico, onde as cargas são as moléculas de água e os condutores são os canos e afins. Nesta analogia, a intensidade da corrente é análoga ao fluxo de água num cano, sendo o fluxo de cargas no condutor por unidade de tempo. Aquilo que provoca o movimento da água é uma diferença de pressão entre dois pontos. Da mesma forma, em electricidade fala‐se da tensão, ou diferença de potencial (d.d.p.), entre dois pontos de um circuito. É esta diferença que provoca o movimento das cargas através do condutor, com uma intensidade determinada pelo valor da tensão e por outros parâmetros do circuito. Um dos parâmetros mais importantes é a resistência, que consiste na oposição à passagem de corrente através do condutor, da mesma forma que uma constrição num cano diminui o fluxo de água, sendo necessário aumentar a pressão para o manter. Em electricidade, a resistência, a corrente e a tensão estão também relacionadas, muitas vezes de forma linear, através da chamada lei de Ohm: a tensão e a corrente são proporcionais, sendo a constante de proporcionalidade denominada resistência. Finalmente, podemos falar ainda de potência eléctrica como sendo a quantidade de energia eléctrica transferida por unidade de tempo. Esta grandeza é importante para falarmos de consumos de energia, mais do que o total de energia consumida, já que nos dá uma ideia da variação da utilização da electricidade num local ao longo do tempo. 5 Níveis de tensão Apesar de nas nossas casas apenas utilizarmos baixa tensão (230V), existe uma divisão do intervalo de tensões em vários níveis: baixa tensão (até 1kV), média tensão (1000V‐60kV), alta tensão (60‐220kV) e muito alta tensão (acima de 220kV). A necessidade da utilização das várias tensões prende‐se com as diversas utilizações da electricidade e, em particular, com o seu transporte. No transporte de electricidade a longa distância, como por exemplo entre uma central hidroeléctrica e uma subestação, são utilizados enormes comprimentos de cabo, pelo que a resistência entre os dois pontos é extremamente grande. Uma vez que a potência dissipada pelo cabo é proporcional à intensidade da corrente e ao quadrado da resistência, interessa‐
nos minimizar ambas as variáveis. De facto, aquilo que é feito é enviar a electricidade em regime de alta ou muito alta tensão para as subestações, desta forma diminuindo a corrente necessária e, consequentemente, as perdas. Já no interior dos centros consumidores (e.g. cidades), por questões relacionadas com a segurança dos utilizadores e de economia de equipamento, efectua‐se à entrada a redução para média tensão. A média tensão é utilizada das subestações aos postos de transformação, entre estes e também para algumas empresas e indústrias que necessitam destes níveis de tensão. Finalmente, para o consumidor comum, os postos de transformação enviam electricidade em baixa tensão, para que seja utilizada nos aparelhos domésticos e outros que não requerem uma maior tensão. 6 Postos de Transformação Um posto de transformação (PT) é uma instalação eléctrica na qual, por meio de transformadores, se realiza a transferência de energia eléctrica entre redes a tensões diferentes. A energia é, assim, fornecida a média tensão por uma subestação, sendo transportada através de cabos até um posto de transformação que, de seguida, distribui a energia eléctrica pela área pretendida na tensão apropriada. Em geral, um PT é constituído essencialmente por três componentes: • Equipamentos de interrupção/seccionamento e protecção; • Um ou mais transformadores, responsáveis pela transformação da tensão; • Quadro geral de baixa tensão, de onde partem os diversos ramais da rede de baixa tensão. Controlo de corrente O controlo de corrente em consumidores de tensões relativamente elevadas é efectuado através de dois dispositivos principais: fusíveis e disjuntores. Quando, por alguma razão (e.g. curto‐circuito), a corrente no circuito excede os limites do que é seguro, estes dispositivos cortam a corrente, salvaguardando a integridade do circuito e dos aparelhos a ele ligado, bem como prevenindo acontecimentos mais sérios como incêndios ou explosões. Uma vez que os fusíveis apresentam algumas desvantagens, na FEUP são utilizados disjuntores. Um disjuntor serve a mesma função que um fusível. É, essencialmente, uma chave magnética que interrompe o circuito quando a corrente excede um valor limite; mas, ao contrário deste, fá‐lo quase instantaneamente, sem risco de incêndio e de forma reutilizável, justificando assim o seu custo inicial mais elevado e a sua utilização nos postos de transformação. 7 Caso em estudo: FEUP Chegada da electricidade A FEUP recebe electricidade a média tensão (15kV), proveniente da subestação de Paranhos, através de linhas subterrâneas. A escolha destas linhas, a despeito das suas várias desvantagens (maiores custos de instalação e manutenção, dificuldade de controlo da tensão), prende‐se com a localização da Faculdade numa zona densamente populada, na área metropolitana do Porto. Neste cenário, é necessário que o transporte a média tensão seja mais seguro (reduzido risco de contacto, menores emissões electromagnéticas) e não perturbe de forma significativa a estética dominante. Para além disto, a utilização de 15kV tem vantagens tanto pela dimensão da Faculdade como consumidor mas também pela disponibilidade de tarifários adequados da empresa distribuidora, que permitem minimizar os custos de consumo da alta potência contratada. PTs privados Na FEUP são utilizados postos privados, e não pertencentes à distribuidora pública. Há várias razões que justificam esta opção da Faculdade: •
Acesso livre às instalações: uma vez que a Faculdade possui o know­how e os meios necessários, é natural uma preferência por entregar a manutenção ao seu próprio pessoal. A utilização de PTs privados permite‐lhe fazer isto de uma forma que um posto público não permitiria, já que só seria acessível a técnicos da EDP. Controlo da instalação: sendo a FEUP a controlar os PTs, pode decidir a configuração mais conveniente à sua instalação (ver próxima secção), de forma a minimizar os custos e maximizar a eficiência. •
•
•
Compra da electricidade a média tensão: a FEUP compra electricidade em média tensão, o que apresenta vantagens económicas, pelo que é necessária a utilização de PTs privados para a conversão em baixa tensão. Partilha dos postos: inerente à utilização de postos públicos está a sua partilha, caso a empresa responsável assim o ache necessário, com outros consumidores na mesma área, o diminuiria a eficiência do serviço e dificultaria o controlo eléctrico dentro da Faculdade. 8 Fig. 1 ‐ Posto de transformação da FEUP.
Segurança Como em todas as aplicações respeitantes ao uso de tensões elevadas, a construção de PTs obedece a elevados padrões de segurança. Para além das restrições de acesso dentro e fora dos postos, a corrente é controlada através de quadros de disjuntores e o bom funcionamento dos postos é observado por técnicos especializados. Configuração Os postos de transformação da Faculdade encontram‐se ligados entre si e aos edifícios conforme a Fig. 2: o PT1, onde chega a linha a 15kV proveniente do distribuidor, tem duas saídas independentes para o PT2 e para o PT3, para além de dois transformadores para baixa tensão que ligam ao interior da faculdade; por sua vez, os PT2 e 3 têm constituição e função idênticas, recebendo ambos em média tensão do PT1 e contendo dois transformadores para baixa tensão que, analogamente ao PT1, ligam aos consumidores finais. As razões para a utilização desta configuração são diversas. Sendo necessário minimizar os custos e as perdas de energia enquanto são mantidas a fiabilidade e redundância da rede, a escolha de três pontos de distribuição justifica‐se pelo tamanho da Faculdade: se fosse utilizado apenas um PT central, este teria que servir todos os edifícios, aumentando o comprimento de cabo em baixa tensão e o risco de sobrecarga que, pela falta de redundância, traria abaixo toda a rede interna, com graves consequências para a Faculdade. 9 PT2
PT1 PT3
FEUP Fig. 2 ‐ Esquema da distribuição de energia eléctrica na FEUP.
Assim, a escolha de três postos parece ser a mais adequada. Não só se conseguem minimizar as perdas de energia em baixa tensão, já que a partir de cada PT é necessário menos cabo para alcançar os consumidores finais, mas consegue‐se ainda um alto nível de redundância, com uma ligação em anel que pode ser utilizada em ambos os sentidos caso seja necessário, aumentando assim a fiabilidade. Por exemplo, no caso de falha do PT2, os PT 1 e 3 permanecem activos, mantendo grande parte da Faculdade na rede sem interferir com as operações do PT2, permitindo uma rápida intervenção de recuperação deste. 10 Consumo na FEUP Padrões de consumo A FEUP segue os padrões de consumo eléctrico esperados para uma instituição de ensino da sua dimensão. Assim, de acordo com os dados das facturas mensais da distribuidora, durante os dias úteis a utilização concentra‐se no período entre as 9h e as 20h, e nos fins‐de‐semana e feriados é utilizada apenas 70% da energia utilizada num dia útil. Despesas eléctricas em Dez 2005‐Dez 2006
Dez
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Fig. 3 ­ Despesas eléctricas da FEUP em 2006. Quanto aos padrões anuais (ver Fig. 3) 1, detectam‐se picos de utilização ao longo das épocas de exame e de Outono, altura em que se utiliza mais potência para aquecimento; os períodos de menor utilização são entre os exames e principalmente durante as interrupções escolares, sendo o mínimo localizado em Agosto. 1
Escala vertical (com origem nos €0) omitida por razões de privacidade da Faculdade. 11 Conclusão O trabalho foi condicionado pela falta de conhecimentos superiores do grupo sobre transporte e distribuição de energia eléctrica. Dada uma formação mais extensiva, seria possível aprofundar a investigação ao nível da constituição de um posto de transformação, da implementação de segurança nas linhas e da configuração e ligações dos PTs. Dadas estas limitações, pode‐se dizer, em suma, que este trabalho permite compreender os conceitos básicos inerentes ao transporte e utilização de electricidade, a necessidade do uso de diferentes níveis de tensão no processo de distribuição eléctrica e a utilização adequada e segura de postos de transformação. A aplicação destas ideias foi efectuada ao caso específico da Faculdade de Engenharia, onde foi estudada a utilização de postos privados, em número três, bem como as vantagens que apresentam e a forma como varia o consumo na FEUP ao longo de vários períodos de tempo. 12 Referências Fig. 1 – Fotografia tirada pelo Grupo 318 no interior do PT1 da FEUP. Fig. 2 – Esquema da autoria do Grupo 318. Fig. 3 – Gráfico obtido através de análise dos dados que nos foram disponibilizados. Sites consultados Resistência Eléctrica. Visitado em Outubro de 2009. <www.wikpedia.org> através de <busca ‐ resistência eléctrica> Disponível em Tensão Eléctrica. Visitado em Outubro de 2009. Disponível em <www.e‐escola.pt> através de <Física>, <Temas e Sub‐Temas>, <Medidas>, <Quantidades físicas com unidades compostas>, <Tensão eléctrica> Energia Potencial e Tensão Eléctrica. Visitado em Outubro de 2009. Disponível em <www.ufrgs.br> através de <Unidades>, <Escola de Engenharia>, <Sebenta Multimédia>, <Energia Eléctrica> Corrente Eléctrica. Visitado em Outubro de 2009. Disponível em <www.univ‐ab.pt> através de <Unidade Didáctica 1>, <Corrente Eléctrica> Corrente, tensão, energia e potência. Visitado em Outubro de 2009. Disponível em <w3.ualg.pt/~sjesus> através de <Ensino>, <Textos de apoio>, <Análise de Circuitos>, <Corrente, tensão, energia e potência> Potência Eléctrica. Visitado em Outubro de 2009. Disponível em <www.mocho.pt> através de <Pesquisa – potência eléctrica>, <Potencia eléctrica> Energia Eléctrica. Visitado em Outubro de 2009. Disponível em <pt.wikipedia.org> através de <busca – energia eléctrica> Linhas Eléctricas. Visitado em Outubro de 2009. Disponível em <dn.sapo.pt> através de <pesquisar – portugal linhas eléctricas>, <Portugal não tem quadro legal para enterrar linhas eléctricas> 13 Fusíveis e Disjuntores. Visitado em Outubro de 2009. Disponível em <br.geocities.com/saladefisica> através de <Como Funciona>, <Fusíveis e disjuntores> Disjuntores. Visitados em Outubro de 2009. Disponível <electronicos.hsw.uol.com.br> através de <Como funcionam os disjuntores> em Distribuição de Energia Eléctrica. Visitado em Setembro de 2009. Disponível em <www.edp.pt/EDPI/Internet/PT/Group/EDPDistribuicao/default.htm> através de <Segurança>, <Distribuição de Energia Eléctrica> Postos de Transformação. Visitado em Outubro de 2009. Disponível em www.eem.pt> através de <os nossos serviços>, <Distribuição>, <Postos de Transformação> Manutenção de Postos de Transformação. Visitado em Outubro de 2009. Disponível em <www.edp.pt/EDPI/Internet/PT/Group/AboutEDP/default.htm> através de <Parceiros>, <Profissionais>, <Manutenção de PT> Identificação das linhas de tensão. Visitado em Outubro de 2009. Disponível em <electromagnetismocef.blogspot.com> através de <Identificação das linhas de Tensão> 14