Sistemas de Energia - Cap. 8 - Prof. Helton do Nascimento

Sistemas de Energia - Cap. 8 - Prof. Helton do Nascimento

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CAPITULO 8

O conceito de carga elétrica está relacionado com a potência elétrica absorvida de uma fonte de suprimento por um aparelho ou máquina elétrica, ou um grupo deles. Trata-se de um conceito muito extenso, de modo que os próprios aparelhos e/ou máquinas são, às vezes denominados cargas. Na prática, conceitua-se “carga” como qualquer equipamento ou conjunto de equipamentos ligados a um sistema elétrico, onde esta absorve potência desse sistema. Pode ser expressa em termos de impedância, de corrente ou potência ativa, reativa ou aparente, conforme as circunstâncias peculiares a cada uso.

O fator mais determinante de um sistema de distribuição são as cargas que ele deve atender. Normalmente as características das cargas se definem conforme os hábitos, de acordo com o perfil do consumidor. A forma que a operadora do sistema busca disciplinar o uso de energia pelo consumidor é através do tarifamento, pois a demanda de energia, como qualquer produto, é função do preço. As cargas se classificam segundo vários critérios, sendo os mais comuns:

• Posição geográfica : têm se cargas urbanas, suburbanas e rurais; • Rentabilidade: têm-se pequenos, médios e grandes consumidores;

• Grau de dependência do suprimento: se classificam em cargas comuns e cargas especiais que necessitam de alto grau de continuidade de serviço tais como hospitais e certas fábricas (ALUMAR);

• Tipo de atividade: classificam em cargas industriais, comerciais, residencial, rural e serviço público.

8.1 CURVA DE CARGA

A demanda de potência de um sistema sofre variações de intensidade e característica ao longo de um período, visto que a utilização das cargas dentro desse sistema é dinâmica, havendo períodos de maior ou menor demanda. A demanda ou carga de um sistema é definida como a potência ou corrente média recebida durante um determinado intervalo de tempo denominado de intervalo de demanda. Os valores usuais de intervalo de demanda são 15 minutos, 30 minutos, 1 hora, ou até maiores, sendo o primeiro mais comum. A relação carga versus tempo é denominada curva de carga ou curva de demanda e pode ser diária, semanal, mensal ou anual, conforme seja o período a que se refiram. A área sob a curva de carga corresponde a energia consumida no período representado. O levantamento das curvas de carga é feito empregando-se registradores de demanda: aparelhos analógicos constituídos de wattímetros ou amperímetros e plotadores gráficos ou aparelhos digitais com memória, com os quais a aquisição da seqüência é direta.

Como é de se esperar, a curva de carga diária não é a mesma todos os dias da semana, mas a diferença só é mais significativa comparando-se a curva de carga de um dia útil com a de um dia de fim de semana ou feriado. Pode-se então considerar duas curvas de carga distintas para representar a demanda no alimentador: uma representativa do dia útil e outra de fim de semana ou feriado. O que usualmente se considera é a curva anual por ser um tempo razoável para análise. Neste caso multiplica-se a curva de dia útil pelos dias úteis no ano e a curva de fim de semana ou feriados, pelo número desses dias no ano. Dessa forma se tem uma aproximação razoável da curva de carga anual. A forma ideal de estudar as perdas elétricas no sistema de distribuição de energia elétrica é ter a curva de demanda de todas as cargas, mas isto não ocorre na prática, visto que normalmente não se têm essas medições. Geralmente se dispõe apenas da curva de carga da subestação. Algumas vezes se têm também as curvas de carga de uma ou outra barra mais importante do alimentador. Na prática considera-se que o alimentador tem fator de diversidade 1, o que significa dizer que as cargas têm curvas de demanda da mesma forma (a mesma da subestação) mudando apenas de escala.

Existem grandes variações de demanda ao longo do dia. Normalmente, o horário

de menor consumo é durante a madrugada e o de maior consumo começa às 18 horas (Figura 8.1). Para efeito de consumo e faturamento se define dos momentos da carga durante o dia: horário de pico das 18:0 h às 21:0 h e horário fora de pico no restante do dia. Mais adiante será mostrado como as tarifas podem ser estabelecidas com base nesses dois períodos.

Cada consumidor tem uma característica de consumo particular. Contudo, é possível agrupar os consumidores que possuem padrões de consumo parecidos em classes de consumo. Os consumidores que pertencem a uma mesma classe são caracterizados pelas suas formas da curvas de cargas semelhantes que explicita suas peculiaridades de utilização da energia. As Figuras 8.2 a 8.5 mostram as curvas de carga típicas de quatro diferentes classes: residencial, industrial, comercial e iluminação pública, respectivamente. Além destes tem-se o consumidor rural.

Figura 8.1 - Curva de carga típica de um dia.

Figura 8.2 - Curva de carga típica da classe residencial. Figura 8.3 - Curva de carga típica da classe industrial.

Figura 8.4 - Curva de carga típica da classe comercial.

Figura 8.5 - Curva de carga típica da classe iluminação pública.

Geralmente os alimentadores estão distribuídos em áreas homogêneas, ou seja, áreas onde existe predominância de um tipo de consumidor. Essa característica é importante na determinação de uma curva de carga anual que tenha a melhor representação possível da demanda no alimentador.

8.1.1 FATOR DE DEMANDA E DE UTILIZAÇÃO

O fator de demanda de um sistema de utilização é definido como a relação entre a demanda máxima e sua potência instalada. Define-se potência instalada em uma unidade consumidora a soma das potências nominais dos aparelhos ou equipamentos elétricos instalados nela, em condições de entrar em funcionamento, alguns autores a denominam também de carga instalada, pode ser expressa em quilowatts (kW). A maior demanda ou carga verificada num dia, mês ou ano é denominada demanda máxima diária, mensal ou anual. A demanda máxima é também chamada ponta de carga.

Através do fator dede demanda leva-se em conta o fato dos equipamentos da mesma instalação não funcionarem necessariamente a plena carga e simultaneamente. A não ser em condições de sobre carga, o fator de demanda é sempre menor que 1 e depende do tipo e tamanho do consumidor, número de equipamentos, época do ano, etc. Em projetos de sistemas de distribuição utiliza-se um fator de demanda médio obtido estatisticamente para cada tipo de consumidor. O fator de demanda de cargas industriais varia com o tipo de processo (Tabela 8.1).

Quando se trata de um sistema ou equipamento alimentador se adota o fator de utilização que se define do mesmo modo que o fator de demanda, ou seja, o fator de utilização é a relação entre a demanda máxima solicitada e a potência nominal do equipamento ou sistema alimentador.

Tabela 8.1 – Fatores de demanda típicos de cargas industriais

Industria FD

Fabricação de Cimento 0,65 Fabricação de Tintas 0,80 Fabricação de Papel 0,75 Fabricação de Gelo 0,92 Fabricação de Aço 0,58 Fabricação de Açúcar 0,75 Lavanderia automática 0,82 Torrefação de café 0,42 Oficinas mecânicas 0,75 Gráficas 0,50 Marcenaria 0,50 Pedreiras 0,73

Exemplo: Um transformador de 45 kVA alimenta uma carga de 40 kVA cuja demanda máxima é de 30 kVA. Calcule o fator de demanda e o de utilização.

Para o sistema estar funcionando adequadamente o fator de utilização tem ser menor ou no máximo igual ao fator de demanda. Quanto mais próximo o FD de 100% mais cargas irão estar sendo utilizadas ao mesmo tempo. Quanto mais próximo o FU de 100% a potencia utilizada na instalação estará mais próximo da potência nominal da fonte de alimentação.

8.1.2 – DIVERSIDADE, COINCIDÊNCIA E RESPONSABILIDADE

As demandas máximas de todos os consumidores de um grupo só ocorrem simultaneamente em casos excepcionais, ou seja, mesmo os consumidores que estão na mesma classe, por exemplo, residencial, tem suas peculiaridades no uso da energia, por isso geralmente as demandas máximas individuais não acontecem no mesmo instante. Para medir a diversidade entre as demandas máximas de um grupo de consumidores se adota o fator de diversidade, que é a relação entre a soma das demandas máximas

individuais e a demanda máxima do grupo. Essa ultima representa o máximo valor de demanda registrada em um determinado período levando em conta todos os consumidores do grupo. Esse fator é sempre maior que um, visto que a soma das demandas máximas individuais é sempre maior que a demanda máxima do grupo. Esse fator é imprescindível no dimensionamento de um transformador de distribuição e da rede secundária que atende vários consumidores. O desconhecimento do fator de diversidade implica em sobredimensionamento das redes e equipamentos, aumentando os custos.

Também é usual definir o fator de coincidência ou simultaneidade, qué simplesmente o inverso do fator de diversidade. A demanda individual de um consumidor quando ocorre a demanda máxima do grupo é denominada responsabilidade do consumidor. Para o sistema a responsabilidade é mais importante que a própria demanda máxima do consumidor.

Exemplo: A demanda máxima do grupo de 5 consumidores mostrados na tabela abaixo é de 5930 W e ocorre as 19:15 h. Qual o fator de diversidade do grupo? Qual o fator de demanda do consumidor 2, se sua carga instalada é de 3370 W? Qual a sua responsabilidade?

Demanda (W) Consumidor Instante de demanda máxima (h) máxima Às 19:15 h

A responsabilidade do consumidor 2 é de 670 W.

Pode-se definir também a demanda diversificada que é a razão entre a demanda máxima do grupo pelo número de consumidores. Neste caso teríamos 5930/5=1186 W. A partir de um certo número de consumidores, a demanda diversificada é praticamente constante e caracteriza perfeitamente o grupo. Por exemplo, consumidores residenciais podem ter demanda diversificada entre 600 W (ricos) e 100 W (pobres). A demanda

diversificada é de grande utilidade no planejamento e projeto de sistemas de distribuição.

8.1.3 – FATOR DE CARGA

O Fator de Carga é um índice que permite verificar o quanto que a energia elétrica é utilizada de forma racional. É a razão entre a demanda média, durante um determinado intervalo de tempo, e a demanda máxima registrada no mesmo período (Figura 8.6).

Pode-se definir o fator de carga convencional (para clientes com tarifa convencional):

FC= (Demanda média no período) / (Demanda máxima no período) ou FC (convencional) = (Consumo mensal - kWh) / (Demanda - kW x 730 h) Também se tem o fator de carga horo-sazonal (para clientes nesta modalidade de tarifa), que divide o mês em dois períodos:

• Horário de ponta mensal

FC (horário de ponta) = (Consumo mensal de ponta - kWh) / (Demanda de ponta- kW x 65 h)

• Horário fora de ponta mensal

FC (horário fora de ponta) = (Consumo mensal fora de ponta - kWh) / (Demanda fora de ponta- kW x 665 h)

Considerando que o ano é composto de 365 dias tem-se em horas ano 365*24= 8760 h e horas mês 8760/12=730 h. No horário de ponta é considerado 3 horas por dia fora os fins de semana, logo 15 h/semana * 52 semanas/12 = 65 h. Logo horário fora de ponta será 730-65= 665 h.

Figura 8.6 – Valores da curva de carga para determinação do fator de carga.

O fator de carga varia de 0 a 1, e, quanto maior este índice, mais adequado e racional é o uso da eletricidade. Deve-se sempre buscar a melhoria do fator de carga. Isso pode ser feito de duas formas: conservar o consumo e reduzir o pico de demanda, ou aumentar o consumo e manter o pico de demanda. Os programas de conservação de energia desenvolvidos pelas concessionárias focam na combinação otimizada destas duas alternativas. Dessa forma, existe uma busca na manutenção da quantidade de produto fabricado pela empresa (manutenção do consumo útil em kWh). Porém com efetiva redução de picos de demanda (kW) deslocando a operação de certas máquinas para outros intervalos de baixo consumo na curva de carga da instalação e na otimização dos sistemas de iluminação e refrigeração do sistema, reduzindo o consumo não operacional ou reativo (kWh ou kvarh).

8.2 PERDAS NA DISTRIBUIÇÃO

As perdas elétricas podem ser divididas em perdas técnicas e perdas comerciais.

As perdas técnicas correspondem à energia perdida devido à resistência elétrica em cabos, equipamentos, conexões, etc. Elas correspondem a 83% do total das perdas. As perdas comerciais referem-se à energia que é entregue ao cliente, porém não computada no faturamento da empresa. Elas ocorrem sobretudo na distribuição e correspondem a 17% do total das perdas. Uma estimativa na literatura da área de sistemas de distribuição avalia as perdas técnicas em torno de 7%, sendo 5% na distribuição e 2% na transmissão. No Brasil, as perdas técnicas podem atingir valores acima de 20%. A Tabela 8.2 mostra o total gerado no Brasil em 2002, as perdas totais (comerciais e técnicas) e o quanto isso representou em prejuízo para o país (Eletrobras 2002).

Tabela 8.2 – Valores de geração e perdas no Brasil em 2002.

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