CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS...
76
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS ELÉTRICOS ERIELTON DA CONSEIÇÃO SILVA PEDRO PAULO CUCCO BARROZO GOUDARD PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS EM UMA SUBESTAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO Campos dos Goytacazes/RJ 2012
Transcript of CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS...
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS ELÉTRICOS
ERIELTON DA CONSEIÇÃO SILVA
PEDRO PAULO CUCCO BARROZO GOUDARD
PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS EM UMA SUBESTAÇÃO
DE TRANSFORMAÇÃO
Campos dos Goytacazes/RJ
2012
ERIELTON DA CONSEIÇÃO SILVA
PEDRO PAULO CUCCO BARROZO GOUDARD
PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS EM UMA SUBESTAÇÃO
DE TRANSFORMAÇÃO
Monografia apresentada ao Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense como
requisito parcial para conclusão do Curso Superior de
Tecnologia em Sistemas Elétricos.
Orientador: Engº. Ruy de Oliveira Grain
Campos dos Goytacazes/RJ
2012
ERIELTON DA CONSEIÇÃO SILVA
PEDRO PAULO CUCCO BARROZO GOUDARD
PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS EM UMA SUBESTAÇÃO DE
TRANSFORMAÇÃO
Monografia apresentada ao Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense como
requisito parcial para conclusão do Curso Superior de
Tecnologia em Sistemas Elétricos.
Aprovada em 04 de outubro de 2012
Banca Avaliadora
.......................................................................................................................................................
Prof° Ruy de Oliveira Grain (orientador)
Engenheiro Eletricista
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense/ Campos-RJ
.......................................................................................................................................................
Prof° José Claudio Ribeiro Barreto
Engenheiro Eletricista
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense/ Campos-RJ
.......................................................................................................................................................
Prof° Helio Crespo de Alvarenga
Engenheiro Eletricista
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense/ Campos-RJ
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar a Deus, por estar sempre conosco, e por ter nos dado força e iluminando nossos caminhos para que pudéssemos concluir mais uma etapa de nossas vidas.
“Aos meus pais, Manoel e Onília, por me apoiarem nos momentos bons e difíceis e pelos conselhos dados”. (Pedro Paulo Goudard)
“Ao meu avô Georgino, que pela vontade de Deus já não esta mais entre nós, que esteve sempre ao meu lado e por ter me dado condições até o fim para mais essa conquista em minha vida”. (Pedro Paulo Goudard)
“À minha namorada Idylla, futura esposa, por me apoiar e estar do meu lado me dando força em todos os momentos da minha vida”. (Pedro Paulo Goudard)
“Aos meus pais, Erivelton e Cenilda, aos meus irmãos Taiane e Patrick e à
minha noiva Paola por ter me incentivado a nunca desistir do meu sonho que é a realização de mais uma fase da minha vida”. (Erielton Silva)
Às nossas famílias, pelo incentivo e companhia por parte de todos, e por
acreditarem em nós, no nosso sucesso.
Aos amigos por serem verdadeiros colaboradores em nossa vida de estudo para concluir essa prazerosa realização.
Aos nossos professores por serem verdadeiros exemplos de dedicação e incentivo em buscar aplicar cada vez mais o conhecimento em nossas vidas.
Aos professores José Claudio e Hélio por terem aceitado fazer parte da nossa banca avaliadora.
Aos nossos amigos do curso: Luciano, Márcio e Jorge.
Ao nosso orientador, professor Eng° Ruy Grain, por ter acreditado que era possível a realização do nosso trabalho, pela paciência que teve conosco em nos conduzir ao melhor estudo e aprendizado para a conclusão de nosso trabalho.
DEDICATÓRIA
Dedicamos este trabalho a Deus,
pois até aqui nos abençoou e para
sempre Ele nos abençoara.
RESUMO
Hoje em dia, com o crescimento das cidades e a implantação de indústrias de todos os
setores, a demanda de energia elétrica vem crescendo rapidamente. As concessionárias de
energia diante de clientes que exigem um elevado nível de qualidade devem assegurar níveis
aceitáveis de confiabilidade e continuidade do fornecimento de energia elétrica, devem
também atender às regras da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) que prescreve as
normas do setor elétrico. Para atender essa demanda desenfreada de energia elétrica, a solução
é construir subestações de transformação ou modificar as já existentes, para poder levar a
eletricidade desde sua produção, nas centrais de produção, até os seus consumidores finais,
que são residências e indústrias. Essas subestações são dotadas de equipamentos que visam
garantir a transformação dos parâmetros da potência elétrica (tensão e corrente), e
equipamentos que tem como finalidades, a proteção e a medição de todos os dados (tensão,
corrente, falta, etc.) que podem ser observados em uma subestação de transformação.
Palavras-chaves: Equipamentos. Subestação de transformação. Energia elétrica. Proteção.
Medição.
ABSTRACT
Nowadays, with the growth of cities and the establishment of industries in all sectors,
the demand for electricity is growing rapidly. The power utilities in front of customers who
require a high level of quality should ensure acceptable levels of reliability and continuity of
supply of electricity, must also meet the rules of ANEEL (Brazilian Electricity Regulatory
Agency) which prescribes the standards of the electricity sector. To meet this demand
unbridled power, the solution is to build transformer substations or modify existing ones, to
take power from the electricity production in power plants, until their final customers, which
are homes and industries. These substations are supplied with equipment intended to ensure
the transformation of the parameters of electrical power (voltage and current), and equipment
whose purpose, protection, and measurement of all data (voltage, current, fault, etc..) That can
be observed in a substation transformation.
Keywords: Equipments. Transformation substation. Electric energy. Protection.
Measurement.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1: Subestação a céu aberto .....................................................................................16
FIGURA 2: Subestação em interior .......................................................................................16
FIGURA 3: Subestação blindada ...........................................................................................17
FIGURA 4: Transformador de potência .................................................................................19
FIGURA 5: Relé Buchholz ....................................................................................................22
FIGURA 6: Válvula de alívio de pressão ...............................................................................23
FIGURA 7: Indicador de temperatura do óleo .......................................................................24
FIGURA 8: Indicador de temperatura do enrolamento ..........................................................25
FIGURA 9: Pára-raios de estação polimérico e de porcelana ................................................26
FIGURA 10: Disjuntor a grande volume de óleo ..................................................................33
FIGURA 11: Disjuntor a ar comprimido ...............................................................................35
FIGURA 12: Disjuntor a vácuo .............................................................................................37
FIGURA 13: Disjuntor a SF6 ................................................................................................37
FIGURA 14: Imagem genérica de um relé digital .................................................................45
FIGURA 15: Religador trifásico ............................................................................................48
FIGURA 16: Religador com controle eletrônico ...................................................................49
FIGURA 17: Transformador de potencial ..............................................................................54
FIGURA 18: Transformador de corrente ...............................................................................55
FIGURA 19: Chave seccionadora ..........................................................................................57
FIGURA 20: Barramento flexível em cobre ..........................................................................59
FIGURA 21: Barramento rígido em tubo de alumínio ..........................................................60
FIGURA 22: Chave de aterramento de 12 a 24kV até 110kA ...............................................62
FIGURA 23: Transformador de serviço auxiliar ...................................................................65
FIGURA 24: Retificador/Carregador de baterias ..................................................................67
FIGURA 25: Esquema de ligação de um banco de baterias ..................................................67
FIGURA 26: Banco de baterias .............................................................................................68
FIGURA 27: Esquema de ligação do conjunto bateria/retificador suprindo a carga .............68
FIGURA 28: Esquema de ligação da bateria suprindo a carga ..............................................69
FIGURA 29: Tensão de passo e tensão de contato provocado por um eletrodo de
aterramento................................................................................................................................71
FIGURA 30: Eletrodo de aterramento em malha de uma subestação ...................................72
16
16
17
19
22
23
24
25
26
33
35
37
37
45
48
49
54
55
57
59
60
62
65
67
67
68
68
69
71
72
LISTA DE ABREVIATURAS
A/D: Analógico/Digital
ANEEL: Agência Nacional de Energia Elétrica
ANSI: Americam National Standards Institute
CA: Corrente Alternada
CC: Corrente Contínua
CLP: Controlador Lógico Programável
CV: Cavalo Vapor
GPS: Global Positioning System
GVO: Grande Volume de Óleo
I1: Corrente do Primário
I2: Corrente do Secundário
IEC: International Electrotechnical Commission
KA: Quilo-ampere
KV: Quilo-volts
KVA: Quilo-volt-ampere
MT: Média Tensão
MTE: Ministério do Trabalho e Emprego
N1: Número de Espiras do Primário
N2: Número de Espiras do Secundário
NBR: Norma Brasileira Regulamentadora
NR: Norma Regulamentadora
PVO: Pequeno Volume de Óleo
RT: Relação de Transformação
SEP: Sistema Elétrico de Potência
TC: Transformador de Corrente
TP: Transformador de Potencial
UTR: Unidade Terminal Remota de Supervisão
V1: Tensão do Primário
V2: Tensão do Secundário
VCA: Tensão de Corrente Alternada
VCC: Tensão de Corrente Contínua
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................... 7
LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................................................. 8
INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 13
1 SUBESTAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO ................................................................ 15
1.1 Classificações das subestações de transformação quanto às funções que devem
exercer ....................................................................................................................................15
1.1.1 Subestações das centrais de produção .............................................................15
1.1.2 Subestações receptoras primárias ....................................................................15
1.1.3 Subestações receptoras secundárias ................................................................15
1.2 Classificações das subestações de transformação quanto ao tipo de
instalação..................................................................................................................................16
1.2.1 Subestações a céu aberto ................................................................................16
1.2.2 Subestações em interiores ................................................................................16
1.2.3 Subestações blindadas .....................................................................................17
1.3 Características elétricas das subestações de transformação .................................17
2 TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA ..........................................................................19
2.1 Classificação dos transformadores quanto ao tipo de ligação ...............................20
2.2 Características térmicas e elétricas do transformador ..........................................20
2.3 Operação em serviço paralelo ..................................................................................21
2.4 Proteções do transformador .....................................................................................21
2.4.1 Relé de gás (Relé Buchholz) ...........................................................................22
2.4.2 Válvula de alívio de pressão ............................................................................23
2.4.3 Proteção térmica do transformador .................................................................23
2.4.3.1 Indicador de temperatura do óleo ........................................................23
2.4.3.2 Indicador de temperatura do enrolamento ...........................................24
2.4.4 Proteção contra falta de óleo no transformador ...............................................25
3 EQUIPAMENTO UTILIZADO CONTRA SOBRETENSÃO .....................................26
3.1 Pára-raios ...................................................................................................................26
15
15
15
15
16
16
16
17
17
19
20
20
21
21
22
23
23
23
24
25
26
26
3.2 Origens das sobretensões ..........................................................................................26
3.3 Pára-raios de carboneto de silício ............................................................................27
3.3.1 Princípio de funcionamento de um resistor não linear de carboneto de
silício.........................................................................................................................................27
3.3.2 Componentes de pára-raios de carboneto de silício ........................................27
3.4 Pára-raios de óxido de zinco (ZnO) .........................................................................28
3.4.1 Princípio de funcionamento de um pára-raio de óxido de zinco .....................28
3.5 Vantagens do pára-raios de óxidos de zinco em relação ao pára-raios de
carboneto de silício ................................................................................................................28
4 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS CONTRA SOBRECORRENTE ..........................30
4.1 Disjuntores .................................................................................................................30
4.1.1 Arco elétrico ....................................................................................................30
4.1.2 Principais características para especificação de um disjuntor .........................31
4.1.3 Partes principais que constituem um disjuntor ................................................31
4.1.3.1 Unidade de comando ...........................................................................31
4.1.3.2 Sistema de acionamento ......................................................................32
4.1.3.3 Câmaras de extinção ............................................................................32
4.1.4 Classificação dos disjuntores em relação ao meio de extinção do
arco............................................................................................................................................32
4.1.4.1 Disjuntores a óleo ................................................................................32
4.1.4.1.1 Disjuntores GVO .................................................................................33
4.1.4.1.2 Disjuntores PVO ..................................................................................33
4.1.4.1.3 Vantagens desses disjuntores ...............................................................34
4.1.4.2 Disjuntor a ar comprimido ...................................................................34
4.1.4.2.1 Partes constituintes de um disjuntor a ar comprimido .........................34
4.1.4.3 Disjuntor a sopro magnético ................................................................35
4.1.4.3.1 Partes constituintes de um disjuntor a sopro magnético ......................35
4.1.4.3.2 Características deste disjuntor .............................................................35
4.1.4.4 Disjuntor a vácuo .................................................................................36
4.1.4.4.1 Partes principais que constituem os disjuntores a vácuo .....................36
4.1.4.4.2 Características deste disjuntor .............................................................36
4.1.4.5 Disjuntor a SF6 ....................................................................................37
4.2 Relés de proteção ........................................................................................................38
4.2.1 Classificação dos relés quanto ao desempenho ...............................................38
26
27
27
27
28
28
28
30
30
30
31
31
31
32
32
32
32
33
33
34
34
34
35
35
35
36
36
36
37
38
38
4.2.2 Classificação dos relés quanto às grandezas elétricas .....................................38
4.2.3 Classificação dos relés quanto à temporização ...............................................39
4.2.4 Classificação dos relés quanto à forma de acionamento .................................40
4.2.5 Classificação dos relés quanto à forma construtiva .........................................41
4.2.5.1 Relés fluidodinâmicos .........................................................................41
4.2.5.2 Relés eletromagnéticos ........................................................................42
4.2.5.3 Relés eletrodinâmicos ..........................................................................42
4.2.5.4 Relés de indução ..................................................................................43
4.2.5.5 Relés térmicos ......................................................................................43
4.2.5.6 Relés eletrônicos ..................................................................................44
4.2.5.7 Relés digitais ........................................................................................44
4.2.5.7.1 Funções dos relés digitais ....................................................................45
4.3 Religadores automáticos ............................................................................................46
4.3.1 Classificação dos religadores quanto ao número de fases ...............................47
4.3.1.1 Religadores monofásicos .....................................................................47
4.3.1.2 Religadores trifásicos ..........................................................................47
4.3.2 Classificação quanto ao sistema de controle ...................................................48
4.3.2.1 Controle por ação eletromagnética ......................................................48
4.3.2.2 Controle eletrônico ..............................................................................48
4.3.2.3 Controle microprocessado ...................................................................49
4.3.3 Religadores automáticos de interrupção em óleo ............................................49
4.3.3.1 Religadores de interrupção em óleo para subestações .........................49
4.3.3.1.1 Classificação dos religadores a óleo mineral para subestação, quanto ao
volume de líquido contido no recipiente de interrupção de arco ............................................50
4.3.3.1.1.1 Religadores a grande volume de óleo (GVO) ..........................50
4.3.3.1.1.2 Religadores a pequeno volume de óleo (PVO) ........................51
4.3.3.1.1.3 Religadores de interrupção a óleo para sistema de
distribuição................................................................................................................................51
4.3.4 Religadores de interrupção a vácuo para subestação ......................................51
4.3.4.1 Partes principais que compõem os religadores a vácuo ......................51
4.3.5 Aplicação dos religadores em subestações .....................................................52
5 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS PARA PROTEÇÃO E MEDIÇÃO EM
SUBESTAÇÕES ....................................................................................................................53
38
39
40
41
41
42
42
43
43
44
44
45
46
47
47
47
48
48
48
49
49
49
50
50
51
51
51
51
52
53
5.1 Transformador de potencial ......................................................................................53
5.1.1 Classificação dos transformadores de potencial quanto ao nível de tensão e sua
construção ...............................................................................................................................54
5.2 Transformador de corrente ........................................................................................54
5.2.1 Características elétricas de um TC ..................................................................55
6 EQUIPAMENTO UTILIZADO PARA MANOBRA EM SUBESTAÇÕES ...............57
6.1 Chaves seccionadoras .................................................................................................57
6.1.1 Unidade seccionadora ......................................................................................57
7 BARRAMENTOS ELÉTRICOS ....................................................................................59
7.1 Critérios de dimensionamento ...................................................................................60
7.1.1 Critério elétrico ................................................................................................60
7.1.2 Critério térmico ...............................................................................................61
7.1.3 Critério mecânico ............................................................................................61
8 EQUIPAMENTO AUXILIAR UTILIZADO EM SUBESTAÇÕES ............................62
8.1 Chave de aterramento rápido ....................................................................................62
8.1.1 Características construtivas .............................................................................63
8.1.2 Características elétricas ...................................................................................63
8.1.3 Ensaios e recebimentos ....................................................................................63
8.1.4 Especificação sumária .....................................................................................64
9 EQUPIPAMENTOS UTILIZADOS PARA SERVIÇO AUXILIAR EM
SUBESTAÇÕES ....................................................................................................................65
9.1 Transformador de serviço auxiliar ............................................................................65
9.2 Retificador/Carregador de baterias ..........................................................................66
9.3 Baterias ........................................................................................................................67
9.4 Aterramento ................................................................................................................69
9.4.1 Classificação quanto à função .........................................................................69
9.4.2 Eletrodo de aterramento em uma subestação de média tensão ........................71
10 ANÁLISE INTRODUTÓRIA SOBRE AUTOMAÇÃO EM SUBESTAÇÕES DE
POTÊNCIA ............................................................................................................................73
10.1 Automação em subestações ....................................................................................73
10.2 Partes e componentes de uma subestação automatizada .....................................73
53
54
54
55
57
57
57
59
60
60
61
61
62
62
63
63
63
64
65
65
66
67
69
69
71
73
73
73
CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................. 74
REFERÊNCIAS ....................................................................................................................75
74
75
INTRODUÇÃO
Nos dias atuais a demanda de energia elétrica vem aumentando em todos os níveis de
tensão (media tensão, alta tensão, extra alta tensão) e para suprir essa demanda o sistema
elétrico brasileiro tem que acompanhar esse consumo, de modo que todas as regiões tenham
energia elétrica de forma equilibrada. O ministério de minas e energia é o órgão responsável
por mapear o crescimento elétrico de todas as regiões e direcionar investimentos de
infraestruturas. Assim, para manter o fornecimento de energia elétrica em níveis aceitáveis,
fez-se necessária a construção de usinas elétricas, linhas de transmissão e subestações.
Em um sistema elétrico de potência (SEP), a subestação é uma instalação elétrica de
alta potência, contendo equipamentos para transmissão, distribuição, proteção e controle da
energia elétrica. Funciona como ponto de controle e transferência em um sistema de
transmissão elétrica, direcionando e controlando o fluxo energético, transformando os níveis
de tensão e funcionando como pontos de entrega para consumidores industriais. Durante o
percurso entre as usinas e as cidades, a eletricidade passa por diversas subestações, onde
aparelhos chamados transformadores aumentam ou diminuem a sua tensão. Ao elevar a tensão
elétrica no início da transmissão, os transformadores evitam a perda excessiva de energia ao
longo do caminho. Já ao abaixar a tensão elétrica perto dos centros urbanos, permitem a
distribuição da energia por toda a cidade. Apesar de mais baixa, a tensão utilizada nas redes
de distribuição ainda não está adequada para o consumo residencial imediato. A instalação de
transformadores menores, instalados nos postes das ruas, serve para reduzir ainda mais a
tensão que vai diretamente para as residências, comércios e outros locais de consumo.
Esse é o caminho que permite a energia elétrica chegar em nossas casas. Contudo,
necessita-se que cada equipamento esteja em pleno estado de conservação e em condições
satisfatórias de utilização.
1 - SUBESTAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO
Uma subestação de transformação é um conjunto de máquinas, equipamentos de
manobra e/ou transformação e circuitos que têm como objetivo alterar os parâmetros da
potência elétrica (tensão e corrente), e de permitir a distribuição a sistemas e linhas variadas.
As subestações possuem a finalidade de interligar as linhas de transmissão para várias
localidades, e se for necessário, elevar ou abaixar os níveis de tensão a serem utilizados.
1.1 - CLASSIFICAÇÕES DAS SUBESTAÇÕES DE TRANSFORMAÇÃO QUANTO
ÀS FUNÇÕES QUE DEVEM EXERCER
1.1.1 - SUBESTAÇÕES DAS CENTRAIS DE PRODUÇÃO
São localizadas próximas às centrais de produção para a modificação dos parâmetros
da potência fornecida pelos geradores síncronos com a finalidade de permitir a transmissão da
energia em linhas de alta tensão. Os geradores síncronos fornecem tensões entre 4 e 25 kV, ao
passo que a transmissão à distância se realiza por exemplo a 60, 130, 220, 380 e 750 kV.
1.1.2 - SUBESTAÇÕES RECEPTORAS PRIMÁRIAS
São alimentadas diretamente pelas linhas de transmissão de alta tensão, e abaixam a
tensão a valores menores, para poder alimentar os sistemas de distribuição à media tensão (15
a 35 kV), ou a tensões intermediárias (60 a 130 kV).
1.1.3 - SUBESTAÇÕES RECEPTORAS SECUNDÁRIAS
São alimentadas pelo sistema à tensão intermediária (60 a 130 kV) e fornecem tensão
à rede de distribuição à média tensão (15 a 30 kV).
16
1.2 - CLASSIFICAÇÕES DAS SUBESTAÇÕES DE TRANSFORMAÇÃO QUANTO
AO TIPO DE INSTALAÇÃO
1.2.1 - SUBESTAÇÕES A CÉU ABERTO
São construídas grandes instalações ao ar livre, e necessitam da aplicação de aparelhos
e máquinas específicas para que haja um bom funcionamento dos equipamentos para
condições atmosféricas adversas como chuva, neve, vento, corrosão atmosférica, etc.,
exigindo, portanto, uma manutenção mais frequente e rigorosa, sendo que estes intempéries
reduzem a eficácia do isolamento.
Figura 1: Subestação a céu aberto.
1.2.2 - SUBESTAÇÕES EM INTERIORES
São colocados os aparelhos e as máquinas no interior de construções, não estando
assim sujeitos às intempéries, podendo consistir de uma edificação e de uma câmara
subterrânea. Esta solução, que no passado foi adotada também para as instalações à alta
tensão, atualmente é limitada, em geral, às cabines de transformação.
Figura 2: Subestação em interior.
17
1.2.3 - SUBESTAÇÕES BLINDADAS
Com o passar dos anos, as aglomerações urbanas cresceram bastante, contudo,
detectou-se a necessidade de criar e implantar subestações menores e mais compactas, surgia
assim as subestações blindadas. Os aparelhos e as máquinas são completamente protegidos
das intempéries, e o espaço necessário para a instalação pode ser bastante reduzido em relação
à construção. São empregadas no interior das cidades, e podem ser isoladas em óleo, com
material sólido (epóxi), ou em gás (ar à pressão atmosférica, ar comprimido, hexafluoreto de
enxofre, etc.). São aplicadas a sistemas à alta e média tensão.
Tratando-se de subestações blindadas, é relevante destacar algumas vantagens e
desvantagens desta instalação. As vantagens são o espaço reduzido, que pode chegar até a
10% de uma subestação convencional, pouca manutenção e operação segura inteiramente
contida em invólucros metálicos e disponíveis em níveis de tensão de até 500 kV. Possuem
também certas desvantagens, como a exigência de pessoal treinado e especializado e as
operações de chaveamento e de manobra não podem ser observadas, podem apenas ser
observadas as indicações luminosas.
Figura 3: Subestação blindada.
1.3 - CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DAS SUBESTAÇÕES DE
TRANSFORMAÇÃO
Para projetos de subestações de transformação, os parâmetros elétricos com base nos
quais se efetuam as escolhas construtivas e os serviços dos equipamentos, são principalmente
quatro:
A tensão na qual será exercida a instalação;
O nível de isolamento no qual os equipamentos instalados terão que suportar;
A máxima corrente que se prevê em serviço contínuo e;
18
A corrente de curto-circuito.
O dimensionamento dos elementos de uma subestação, do ponto de vista térmico,
depende da potência dos transformadores a serem instalados, de eventuais sobrecargas
previstas e da corrente de curto-circuito da instalação. As características construtivas das
subestações mais recentes implicam que a secção dos condutores é prevista para levar em
conta a corrente de curto-circuito da subestação, cujo valor depende da potência dos
transformadores instalados e do modo em que a rede na qual alimenta a instalação está ou será
disposta. A escolha das características dos disjuntores a serem instalados está diretamente
ligada a estes parâmetros citados anteriormente. Todos os equipamentos de uma subestação
devem suportar, por pequenos períodos de tempo, a máxima corrente de curto-circuito que se
pode existir.
Além dos parâmetros elétricos examinados, para as subestações com tensão alta, deve-
se levar em conta também o efeito corona, que ocorre em virtude do campo elétrico na
superfície do condutor por ter superado a capacidade disruptiva do ar. Este problema é
resolvido montando aparelhos e terminais contendo proteções para eliminação das pontas, e
com emprego de condutores como barramentos tubulares ou em feixe, condutores germinados
duplos ou triplos, dentre outros.
2 - TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA
O transformador de potência é um equipamento de operação estático que através da
indução eletromagnética, transfere energia de um circuito, denominado primário, para um ou
mais circuitos denominados, respectivamente de secundário e terciário, sendo que a
frequência de um circuito para o outro é mantida a mesma frequência, sendo que com tensões
e correntes diferentes.
A construção dos transformadores se da através das mais variadas características, que
dependem do tipo de carga que se vai alimentar ou até mesmo do ambiente onde se deseja
instalá-los.
Os transformadores são classificados quanto ao numero de fases em transformadores
monofásicos, transformadores bifásicos e transformadores trifásicos.
Os monofásicos são aqueles construídos para serem instalados nos sistemas de
distribuição rural, estes sistemas são caracterizados por serem monofilar com retorno por
terra.
Os bifásicos são aqueles construídos para operar individualmente nas redes de
distribuição rural, ou em formação de bancos de transformação, em cabines ou em poste,
como se pode observar com frequência em algumas regiões americanas.
Os trifásicos são os mais utilizados tanto no sistema de distribuição e transmissão de
energia elétrica das concessionárias como no atendimento a cargas industriais.
Figura 4: Transformador de potência.
20
2.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSFORMADORES QUANTO AO TIPO DE
LIGAÇÃO
Os transformadores trifásicos, que são os mais utilizados no sistema elétrico de
potência (SEP), podem ter enrolamentos ligados de três maneiras distintas, dependendo da
conveniência de sua aplicação no sistema. As ligações podem ser feitas em triângulo, estrela e
ziguezague.
Ligação triângulo: é quando são ligados os terminais das bobinas entre si, permitindo
assim, a alimentação em cada ponto de ligação.
VL = VF e IL = IFx
VL = tensão de linha
VF = tensão de fase
IL = corrente de linha
IF= corrente de fase
Ligação estrela: é quando são ligados os terminais das bobinas a um ponto comum,
resultando assim esta ligação em três ou quatro fios.
VL = VFx e IL = IF
Ligação zigzague: é quando são ligados em série dois enrolamentos por fase, e em
seguida, liga-se a um ponto comum três terminais quaisquer. As bobinas nesta ocasião são
ligadas em oposição.
2.2 - CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS E ELÉTRICAS DO TRANSFORMADOR
Antes de aplicar um transformador no sistema elétrico, devem ser estudadas
cuidadosamente suas características elétricas, para que haja segurança em sua aplicação, e
também visando seu lado econômico.
Potência nominal;
Tensão nominal;
Corrente nominal;
Frequência nominal e;
Perdas em vazio, que são perdas por correntes parasitas ou Foucault e perdas
por histerese magnética.
21
2.3 - OPERAÇÃO EM SERVIÇO PARALELO
Quando dois ou mais transformadores de potências nominais iguais, construídos com a
mesma base de seus projetos eletromecânicos, são colocados em serviço em paralelo, a carga,
para finalidades práticas, irá se distribuir por igual entre as referidas unidades. No entanto,
considerando-se que estes transformadores tenham potências nominais iguais e diferentes
impedâncias percentuais, o que constitui uma situação de natureza prática muito constante e
comum, a carga irá se distribuir diferentemente em cada unidade de transformação.
Para que dois ou mais transformadores operem em paralelo é necessário que tenham:
A mesma relação de transformação nominal em vazio.
Devem possuir enrolamentos para a mesma tensão primária.
Os transformadores devem possuir os mesmos deslocamentos angulares.
Quando dois ou mais transformadores estão em serviço em paralelo, e eles não
possuem o mesmo deslocamento angular ou a mesma sequência de fase, resultará nas
seguintes consequências.
Primeira consequência: existirá uma diferença de potencial entre os
secundários dos transformadores, propiciando uma circulação de corrente nos
enrolamentos;
Segunda consequência: existirá uma diferença de tensão cíclica, produzindo,
também, uma circulação de corrente nos enrolamentos.
2.4 - PROTEÇÕES DO TRANSFORMADOR
Um transformador é composto por alguns elementos que têm como função a
proteção, devido ao tamanho e por ser um componente principal de uma subestação, é
atribuída uma atenção especial. Os elementos responsáveis pela proteção do transformador
são: relé de gás (conhecido como relé Buchholz), válvula de alivio de pressão, proteção
térmica do transformador, indicador de temperatura do óleo e enrolamento, proteção contra
falta de óleo em transformadores.
22
2.4.1 - RELE DE GÁS (RELE BUCHHOLZ)
Esse relé normalmente é empregado nos transformadores que possuem um tanque
auxiliar (balão conservador) com a finalidade de proteger contra defeitos que ocasionam o
surgimento de gases ou movimentos bruscos do óleo, além de atuar em caso de nível baixo de
óleo e colocado entre o tanque do transformador e o conservador, tem como componentes,
boia superior (opera quando acontecem defeitos que produzem gás lentamente), boia inferior
opera em caso de defeito rápido instantâneo (curto circuito), situação que pode acarretar na
formação de um arco. Esse relé ainda é composto por um flutuador que atua quando o nível
do óleo abaixa, fazendo fechar um contato e soar um alarme, aparecendo então uma indicação
visual.
Esse relé opera nas seguintes circunstâncias:
Descarga interna (curto-circuito entre espiras);
Avarias no isolamento com formação de arco;
Perdas de isolamento entre as chapas do núcleo ou nos tirantes de amarração;
Altas resistências nas ligações e;
Rompimento de uma espira.
Figura 5: Relé Buchholz
23
2.4.2 - VÁLVULA DE ALIVIO DE PRESSÃO
Esse dispositivo tem seu funcionamento associado à sobrepressão no tanque devido à
formação de gás por decomposição e evaporação. As sobrepressões são devido às descargas
internas e, quando o transformador tem saída de explosão, podem-se limitar as sobrepressões,
a pressão interna abaixo da pressão de abertura, assim a válvula atua como sentido de
vedação, mas quando essa pressão ultrapassa o valor da pressão de operação ela atua a válvula
que abre instantaneamente, protegendo o tanque de óleo e o fechando dos contatos auxiliares
que energizam a bobina do rele f86-1 retirando o transformador de operação.
Figura 6: Válvula de alívio de pressão
2.4.3 - PROTEÇÃO TÉRMICA DO TRANSFORMADOR
Essa proteção é feita por indicadores de temperatura cuja operação indica que limites
de temperaturas pré-estabelecidas, foram atingidos, para o óleo ou enrolamento, fazendo atuar
os ventiladores ou soar alarmes.
2.4.3.1 - INDICADOR DE TEMPERATURA DO ÓLEO
Essa proteção tem com função indicar como esta a temperatura do óleo que circula
entre os enrolamento do transformador para isso usa-se um principio de termômetro composto
por bulbo, tubo capilar, caixa mostradora além do mercúrio.
O funcionamento é a partir do tubo capilar com mercúrio na parte inferior do
transformador e na parte superior onde fica a maior temperatura, assim quando a temperatura
sobre o mercúrio se expande é acionada uma mola que move um ponteiro do indicador da
temperatura. Se a temperatura continuar a subir, o ponteiro ocasiona o fechamento do contato
24
que faz soar um alarme. Também existem transformadores que apresentam circuitos que
evitam a elevação de temperatura, são usadas ventilação forçada e sistema de refrigeração
através da circulação forçada do óleo, feita por bombas, mesmo assim permanecendo a
situação de elevação da temperatura, o transformador é retirado de funcionamento.
Figura 7: Indicador de temperatura do óleo.
2.4.3.2 - INDICADOR DE TEMPERATURA DO ENROLAMENTO
É usado para medir a temperatura mais quente do enrolamento, sendo constituído de
bulbo, capilar, caixa mostradora e contatos como no indicador de temperatura do óleo. O
bulbo esta situado num compartimento fechado e isolado com óleo entre resistência de
aquecimento, que recebe corrente do TC situado na bucha do transformador. A corrente do
transformador de força é refletida pelo TC para resistência onde está o bulbo através de
calibração, a indicação de temperatura (imagem térmica) fornece fielmente o estado de
aquecimento do ponto mais quente do enrolamento.
Esse indicador contém dois ponteiro sendo um fixo ajustado e outro ponteiro móvel e
esse quando passa 95ºC irá fechar os contatos que darão alarme sonoro e visual. Caso a
temperatura continue se elevando atuará a proteção F86-1 retirando o transformador de
serviço.
Em alguns mostradores pode-se usar um terceiro ponteiro com a finalidade de indicar
a máxima temperatura em certo período do tempo, esse é chamado de ponteiro de demanda.
25
Figura 8: Indicador de temperatura do enrolamento.
2.4.4 - PROTEÇÃO CONTRA FALTA DE ÓLEO NO TRANSFORMADOR
Os transformadores de grande capacidade utilizam indicadores que permitem a
fiscalização visual do nível de óleo para mostrar a importância. O óleo tem a finalidade de
permitir diminuir a distância entre as partes energizadas no interior do transformador devido
às suas propriedades isolantes, tornando o mesmo mais compacto, facilitando o transporte do
calor desenvolvido no núcleo do transformador para as paredes do tanque e radiadores devido
ás suas propriedades refrigerantes. Nesses transformadores existe um indicador magnético que
é colocado no conservador e consta essencialmente de uma boia presa a uma haste, que fica
no interior do conservador, e mostrador, com as indicações máximas, mínimas e 25ªC
(indicação de nível normal para a temperatura ambiente de 25°C) na parte externa. Em geral,
o nível do óleo abaixa por causa de vazamento nas juntas do transformador ou em algumas de
suas válvulas, sendo que esses vazamentos acarretam na diminuição do óleo e em casos mais
graves aciona um alarme sonoro e visual, chegando até mesmo a acarretar o desligamento do
transformador pela operação do relé de gás.
3 - EQUIPAMENTO UTILIZADO CONTRA SOBRETENSÃO
3.1 - PÁRA-RAIOS
No circuito elétrico os pára-raios desempenham uma função de proteção da linha de
distribuição e dos equipamentos contra as sobretensões que o sistema das redes aéreas está
exposto. Existem dois tipos de pára-raios, a Resistor Não-Linear os de carboneto de silício, e
óxido de zinco.
Figura 9: Pára-raios de estação polimérico e de porcelana.
3.2 - ORIGENS DAS SOBRETENSÕES
Em um sistema elétrico é a elevação do nível de tensão acima dos valores pré-
determinados. Esse valor é observado pelo sistema com crista da tensão máxima, existem três
tipos de sobretensão classificadas abaixo.
Sobretensão temporária: é caracterizada por uma onda de tensão elevada e de
natureza oscilatória e longo tempo de duração, ocorrida num ponto definido
pelo sistema sendo monofásica, bifásica, ou trifásica (defeitos monopolares,
perda de carga por abertura do disjuntor, efeito ferrante, fenômenos de ferro-
ressonância).
Sobretensão de manobra: tem origem em manobra de disjuntores e
seccionadora para eliminação de defeitos, energização de transformador e
banco de capacitores.
27
Sobretensão atmosférica: tem origem dos vários tipos de descargas atmosférica
que podem ser descarga piloto (descarga de baixa amplitude), descarga de
retorno (atinge o solo e os equipamento), descarga no interior das nuvens (entre
nuvens), e descargas reflexas ou secundárias (atingem o solo e os
equipamentos).
3.3 - PÁRA-RAIOS DE CARBONETO DE SILÍCIO
São utilizados em serie com os resistores, e utilizam os centelhador formados vários
gaps(espaços vazio), para garantir que não haverá corrente de retorno para que não venha a
danificar os equipamentos.
3.3.1 - PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM RESISTOR NÃO LINEAR DE
CARBONETO DE SILÍCIO
Os pára-raios são equipamentos que ficam em paralelo com os circuitos ou elementos
a serem protegidos para caso ocorra uma elevação da tensão acima dos valores limite das
sobretensões, os para raios sensibilizam essa elevação de tensão e descarregam para terra um
surto de corrente subsequente.
3.3.2 - COMPONENTES DE PÁRA-RAIOS DE CARBONETO DE SILÍCIO
Terminal de fase;
Mola de compressão;
Centelhador;
Corpo de porcelana;
Resistores não lineares;
Desligador automático;
Terminal de terra e;
Ferragem de fixação.
28
3.4 - PÁRA-RAIOS DE ÓXIDO DE ZINCO (ZnO)
Estes pára-raios, utilizam o óxido de zinco (ZnO) como resistor não-linear, e não
possuem centelhadores série, ao contrário dos pára-raios de carboneto de silício. Suas partes
constituintes basicamente são: resistores não-lineares, corpo de porcelana e, corpo polimérico.
A constituição dos pára-raios de óxido de zinco é dada a partir de blocos cerâmicos
compostos a partir de uma mistura de zinco, em quantidade maior, e outros óxidos metálicos,
como o cobalto, antimônio, bismuto e o manganês.
O óxido de zinco possui uma alta capacidade de condução de corrente de surto que
resulta em baixas tensões no período de passagem da corrente de descarga, e simultaneamente
oferece uma alta resistência à corrente subseqüente, fornecida pelo sistema.
O óxido de zinco, quando submetido à tensão de operação, conduz até a terra, uma
corrente elétrica muito pequena, cerca de 30x10-6 amperes, ou 0,03 mile amperes. Assim, não
provoca um aquecimento significativo no bloco cerâmico, por isso é dispensável o uso do
centelhador.
No corpo de porcelana estão os varistores de óxido metálico, que estão envoltos por
uma peça cerâmica. O corpo polimérico é constituído de uma borracha de silicone. A
vantagem é que há a ausência de vazios em seu interior, caso este que não ocorre nos pára-
raios de corpo de porcelana.
Quando ocorre uma falha por excesso de energia em um pára-raio de corpo
polimérico, devido à inexistência de espaços internos e à própria tecnologia do material, o
risco de liberação de fragmentos para o ambiente é muito pequeno.
Outra vantagem é sua aplicação em locais de poluição elevada.
3.4.1 - PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM PARA RAIO DE ÓXIDO DE
ZINCO
Componentes de um para raio de óxidos de zinco são: resistores não-lineares, corpo de
porcelana, corpo polimérico.
3.5 - VANTAGENS DO PÁRA-RAIOS DE ÓXIDOS DE ZINCO EM RELAÇÃO AO
PÁRA-RAIOS DE CARBONETO DE SILÍCIO
Não existe corrente subseqüente nos pára-raios a óxido de zinco;
Apresentem maior capacidade de absorção de energia;
29
São dotados de um nível de proteção melhor definido, aumentando a segurança
dos equipamentos e;
Mais rápido na atuação, pois não possui centelhadores.
4 – EQUIPAMENTOS UTILIZADOS CONTRA SOBRECORRENTE
4.1 - DISJUNTORES
Disjuntores são equipamentos que tem a função de proteger os circuitos contra as
correntes de defeito em um determinado ponto do sistema. Ele opera realizando a abertura do
sistema e assim desenergizando o circuito. Para um disjuntor de alta tensão ser instalado ele
deve ser acompanhado de um relé respectivo, que é responsável pela detecção das correntes
elétrica do circuito.
O disjuntor em funcionamento apresenta aspecto de continuidade de operação em
condições adversas ao ar livre, exposto aos intempéries do tempo e quando solicitado o
sistema de seu mecanismo dever opera em décimos de segundo as funções oriundas do tipo de
disjuntor.
Em relação à tensão, os disjuntores podem ser classificados de acordo com os tópicos
a seguir:
Baixa tensão: tensão nominal inferior a 1,5kV (CA) e 3kV (CC);
Média tensão: tensão nominal entre 1,5 e 34,5kV (CA);
Alta tensão: tensão nominal superior a 34,5kV (CA).
4.1.1 - ARCO ELÉTRICO
É um fenômeno que ocorre quando se separam dois condutores terminais de um
circuito que conduz certa corrente de carga, de sobrecarga ou de defeito em virtude da
quantidade de energia acumulada no circuito. A formação do arco elétrico se da pela formação
de um canal condutor em um meio muito ionizado, provocando assim um brilho forte e
elevando, consideravelmente, a temperatura do meio em que se encontra.
O arco formado durante a separação dos terminais faz com que o circuito tenha
continuidade, até atingir o seu ponto zero no ciclo senoidal em que se encontra, neste
momento há a interrupção da chave. Porém, se o meio em que os contatos foram abertos
permanecer ionizado, no decorrer do meio ciclo seguinte, a corrente poderá ter a sua
continuidade elétrica restabelecida, pois irá originar um novo arco. Para que não venha mais
circular corrente elétrica no meio ionizado, é necessário que este meio tenha um processo de
desionização.
Para extinguir um arco elétrico qualquer, é necessário um principio básico, como
31
provocar seu alongamento por meios artificiais, reduzir a temperatura e substituir o meio
ionizado entre os contatos por um meio isolante eficiente, podendo ser o ar, o óleo ou o gás.
4.1.2 - PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS PARA ESPECIFICAÇÃO DE UM
DISJUNTOR
Tensão nominal;
Corrente nominal;
Capacidade de interrupção nominal;
Tempo de interrupção;
Freqüência nominal;
Tipo de comando;
Tensão suportável de impulso;
Acionamento;
Montagem;
Meio de extinção do arco elétrico;
Meio isolante.
4.1.3 - PARTES PRINCIPAIS QUE CONSTITUEM UM DISJUNTOR
4.1.3.1 - UNIDADE DE COMANDO
É a parte responsável pelo comando, controle e supervisão do disjuntor. Esta parte
varia em função do modo de acionamento, do meio extintor e também das especificações do
usuário.
32
4.1.3.2 - SISTEMA DE ACIONAMENTO
É a parte que permite o armazenamento e a liberação da energia necessária para a
operação mecânica do disjuntor. A operação do acionamento é transmitida aos pólos por
intermédio de um acoplamento que pode ser mecânico, hidráulico ou pneumático.
4.1.3.3 - CÂMARAS DE EXTINÇÃO
É a parte do disjuntor que extingue o arco elétrico. Algumas tecnologias do meio
extintor para a interrupção do arco elétrico são:
Grande Volume de Óleo (GVO);
Pequeno Volume de Óleo (PVO);
Ar Comprimido;
Sopro Magnético;
Vácuo;
Hexafluoreto de Enxofre (SF6).
4.1.4 - CLASSIFICAÇÕES DOS DISJUNTORES EM RELAÇÃO AO MEIO DE
EXTINÇÃO DO ARCO
4.1.4.1 - DISJUNTORES A ÓLEO
Os disjuntores a óleo são classificados pelo processo de realizar abertura dos contatos
no interior de um recipiente cheio de óleo mineral onde será extinto o arco elétrico. Nos
sistemas de média tensão e para aplicação geral de subestação de distribuição de pequeno e
médio porte, os dois disjuntores são de pequeno volume de óleo e grande volume de óleo.
33
4.1.4.1.1 - DISJUNTORES GVO
Nestes disjuntores, ao serem utilizados em baixa potência, os contatos dos três pólos
encontram-se no interior de um único recipiente que contém grande quantidade de óleo
mineral isolante, já quando é utilizado em alta potência, o encapsulamento é monofásico.
Apesar dos disjuntores GVO possuírem uma alta capacidade de ruptura e um ótimo
desempenho, a tecnologia destes disjuntores está ultrapassada. Na atualidade, está perdendo
espaço no cenário nacional para os disjuntores PVO e a tendência é que desapareçam no
mercado.
Os disjuntores GVO são operados por relé eletromecânico ou eletrônico, quando
manualmente, geralmente usa-se uma caixa de comando, que é fixada na parte frontal.
Figura 10: Disjuntor a grande volume de óleo.
4.1.4.1.2 - DISJUNTORES PVO
Estes disjuntores representam a evolução dos disjuntores GVO, no qual ocorreu uma
maior eficiência no processo de interrupção da corrente e diminuiu drasticamente o volume de
óleo no disjuntor. Nos disjuntores PVO, são instalados os contatos no interior de uma câmara
de extinção em série, separadas individualmente e montadas junto com a caixa do mecanismo
de comando.
Os disjuntores PVO cobrem praticamente todas as possibilidades de ruptura até 63kA
em média tensão. Acima de 138kV a sua capacidade de ruptura por câmara cai para um
máximo de 20kA, o que possibilita concluir que para maiores correntes de curto-circuito
(31,5; 40 e 50kA), comumente nesta tensão, deve-se colocar várias câmaras em série com a
obrigatoriedade do uso de capacitores de equalização e acionamentos mais potentes.
34
4.1.4.1.3 - VANTAGENS DESSES DISJUNTORES
Custo reduzido;
Robustez construtiva;
Simplicidade operativa;
Reduzida exigência de manutenção.
4.1.4.2 - DISJUNTOR A AR COMPRIMIDO
Os disjuntores a ar comprimido são utilizados em grande escala para tensões acima ou
igual a 130KV, assim, utilizados em subestações de alto porte que contém uma central de
alimentação a ar comprimido composto por compressores onde o ar é canalizado para outras
partes do sistema e para os disjuntores.
Para subestações de baixo e pequeno porte tem-se a necessidade de uma fonte alimentadora
de ar comprimido se tornando imprópria sua utilização por causa do alto custo de
implantação.
Para o seu perfeito funcionamento, é necessária a utilização de ar puro sem a presença
de umidade, para tal se faz uso de filtros e desumidificadores, assim, este ar é pressurizado até
a pressão de 200 Kg/cm2 que em casos de necessidades será utilizado para atingir, resfriar e
extinguir o arco formado através da abertura do contato.
Os disjuntores a ar comprimido possuem duas formas de direcionar o ar para a
extinção do arco elétrico, a forma unidirecional, conduzindo o ar direto para os contatos
inferiores do próprio equipamento, ou através da forma bidirecional, onde o ar é levado para a
região de contato de forma semelhante, porém seu escape se da na parte inferior da haste que
contém os contatos fixos e móveis. No processo de extinção do arco elétrico, a possibilidade
de reignição após a passagem de corrente pelo zero natural é bastante remota devido à retirada
do meio ionizado da região entre os contatos.
4.1.4.2.1 - PARTES CONSTITUINTES DE UM DISJUNTOR A AR COMPRIMIDO
Terminal;
Válvula de escape;
Pólo;
Direção do escape do ar;
Contato fixo;
35
Contato móvel;
Êmbolo;
Ar comprimido;
Base do pólo.
Figura 11: Disjuntor a ar comprimido.
4.1.4.3 - DISJUNTOR A SOPRO MAGNÉTICO
Esse tipo de disjuntor é utilizado para elevada corrente alternada ou corrente continua,
pois seu funcionamento é através da força eletromagnética para conduzir o arco elétrico a uma
câmara de extinção, onde o arco é dividido, desionizado, resfriado e extinto.
4.1.4.3.1 - PARTES CONSTITUINTES DE UM DISJUNTOR A SOPRO MAGNÉTICO
Câmara de extinção;
Sopradores;
Mecanismo de operação e;
Invólucro metálico.
4.1.4.3.2 – CARACTERÍSTICAS DESTE DISJUNTOR
E constituído por uma câmara de extinção robusta e de poliéster a operação e realizada
com elevada velocidade assim os contatos fixos e móveis são separados surgindo um arco que
36
por efeito pneumático é conduzido dos contatos principais para os contatos auxiliares
atingindo a câmara de extinção. Após isso o arco penetra na câmara e por efeito magnético e
térmico é fracionado e extinto. Seu acionamento é através de uma mola pré-carregada e por
operação motorizada. Esse disjuntor não é recomendado para correntes baixa e locais de
umidade elevada, salinidade, poeira ou partícula em suspensão, assim sua condição ideal tem
temperatura ambiente entre 30º e 40ºC e altitudes não superior a 1000 metros.
4.1.4.4 - DISJUNTORES A VÁCUO
Disjuntores a vácuo têm seu uso em sistema de média tensão e onde se faz necessário
muitas manobras, os disjuntores utilizam de uma câmara a vácuo como elemento de extinção.
São três pólos individualmente separados com isoladores e suporte em epóxi na caixa de
manobra, dotado de todos os mecanismos destinados à operação do equipamento. Assim os
contatos fixos e móveis são montados no interior da câmara a vácuo que tem suas
extremidades apoiada em isoladores cerâmicos.
4.1.4.4.1 - PARTES PRINCIPAIS QUE CONSTITUEM OS DISJUNTORES A VÁCUO
Isoladores;
Terminal superior;
Contato fixo e móvel;
Fole metálico;
Terminal inferior;
Alavanca;
Comando e operação.
4.1.4.4.2 - CARACTERÍSTICAS DESTE DISJUNTOR
Os disjuntores são constituídos de três câmaras de interrupção sob vácuo e dois
suportes respectivos, e do acionamento mecânico, ao abrirem os contatos do disjuntor inicia-
se através da corrente a ser interrompida, uma descarga do arco voltaico por meio do vapor
metálico. A corrente flui até chegar a sua primeira passagem pelo zero natural da senoide.
Nesse ponto que e liberado o vapor metálico nas superfícies dos contatos fixo e móvel
restabelecendo o seu dielétrico. Esses disjuntores são utilizados em circuito com
37
predominância em carga indutiva. Em geral para corrente de curto circuito podem ser extinta
ate 20.000 vezes a corrente nominal.
Figura 12: Disjuntor a vácuo.
4.1.4.5 – DISJUNTOR A SF6
Esses disjuntores utilizam o gás hexafluoreto de enxofre (SF6) como meio para
interrupção da corrente. Esse processo pode se conduzido por alimentação pneumática ou ar
comprimido. Seu uso se caracteriza pelo funcionamento em câmara de interrupção com
principio do pistão de compressão de gás e são compostos por dois contatos e uma rigidez
dielétrica garantida pela distancia entre os contatos abertos, estão presentes em subestações de
alta tensão quer requer pouca manutenção e alta disponibilidade, mais econômica e segurança.
È uma tecnologia nova e esta sendo instalada em praticamente todas as subestações de grande
porte.
Figura 13: Disjuntor a SF6.
38
4.2 - RELÉS DE PROTEÇÃO
4.2.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS RELÉS QUANTO AO DESEMPENHO
Garantia e eficiência no desempenho das funções são condições básicas para
equipamentos de proteção.
Os relés de proteção devem apresentar os seguintes requisitos básicos quanto ao seu
desempenho:
Sensibilidade: os relés devem ser sensíveis ao máximo nos limites de sua faixa
de ajuste para a operação, caso contrário, a grandeza solicitada para o disparo
da unidade poderá não fazer operar o mecanismo de atuação nos tempos
ajustados, vindo a provocar operações fora dos limites ajustados para a
proteção dos equipamentos.
Velocidade: os relés também devem ser bastante velozes para responder às
grandezas elétricas para as quais foram ajustados, garantindo assim uma
duração mínima do defeito.
Confiabilidade: uma alta confiabilidade deve ser apresentada em todo sistema
elétrico. Os relés devem ser extremamente confiáveis para quaisquer
perturbações que possam vir a ocorrer no sistema para o qual foi dimensionado
e ajustado.
4.2.2 - CLASSIFICAÇÃO DOS RELÉS QUANTO ÀS GRANDEZAS ELÉTRICAS
Os relés são basicamente sensibilizados pelas grandezas da frequência, da tensão e da
corrente no qual está submetido. Contudo, tomando como referência esses valores básicos,
podem-se construir relés que sejam ajustados para outros parâmetros elétricos da rede, tais
como impedância, potência, relação entre as grandezas anteriores, etc.
Relés de tensão: os relés de tensão utilizam a própria tensão do sistema e
comparam seu valor com aquele anteriormente ajustado para operação. Os
valores podem estar acima ou abaixo daqueles tomados como referência, por
este modo existem os relés de sobre e subtenção.
Relés de corrente: os relés de corrente são os mais empregados em qualquer
sistema elétrico, sendo seu uso obrigatório em virtude da grande variação com
39
que a corrente elétrica pode circular em uma instalação, podendo passar por
todos os estágios, que são o estado em vazio, passando pela carga nominal,
chegando à sobrecarga, até atingir o estágio máximo de curto-circuito franco.
Relés de frequência: os relés de frequência utilizam essa grandeza do sistema
comparando a mesma com o valor anteriormente ajustado para operação.
Quando há alguma diferença do valor ajustado, o relé aciona o mecanismo de
desligamento do disjuntor.
Relés direcionais de frequência e corrente: os relés direcionais têm seu
acionamento a partir do fluxo de potência ou corrente que circula em seus
bobinados. Para um relé direcional de potência, necessita-se de um par de
bornes, sendo um de tensão e outro de corrente, para que seja obtido um fluxo
de demanda a cada instante. Não se utiliza muito os relés direcionais em
instalações industriais de pequeno e médio porte, chegando a ter aplicação
obrigatória em instalações de grande porte alimentadas por duas ou mais
fontes. A atuação desse relé se dá a partir da detecção do fluxo reverso de
corrente ou de potência no ponto de sua instalação.
Relés de impedância: os relés de impedância utilizam a tensão e a corrente
como parâmetro elétrico no ponto de sua instalação. Como a impedância num
determinado ponto é a relação entre a tensão e a corrente, o relé de impedância
apenas confere e verifica o resultado deste quociente, para comanda a atuação
de seu mecanismo de acionamento.
4.2.3 - CLASSIFICAÇÃO DOS RELÉS QUANTO À TEMPORIZAÇÃO
Embora se espere na atuação de um relé a maior velocidade possível, geralmente, por
questões de seletividade entre os vários elementos de proteção, deve-se permitir aos relés
certa temporização antes que ordene que o disjuntor seja aberto.
Tomando como base as considerações citadas anteriormente, os relés podem ser
classificados quanto ao tempo de atuação em:
Relés instantâneos: estes relés como o próprio nome diz, não apresentam
nenhum retardo intencional no tempo de atuação. Quando vem a existir algum
retardo, isso ocorre em função de suas características construtivas, pois há
certa inércia natural do mecanismo, temporizando assim, sem querer, sua
40
atuação. Estes relés não se encaixam na utilização de esquemas seletivos, onde
os valores das correntes de curto-circuito em variados pontos são praticamente
os mesmos.
Relés temporizados com retardos dependentes: estes relés são os mais
utilizados em sistemas elétricos em geral. Possuem sua curva de temporização
normalmente inversa, tendo seu retardo em função do valor da grandeza que os
sensibiliza. Esses relés possuem uma família de curvas com as mais diversas
declividades em razão das diversas aplicações requeridas na prática dos
projetos de proteção. Observa-se que quanto maior a corrente, menor o tempo
de atuação, justificando a denominação de temporização inversa.
Relés temporizados com retardos independentes: estes, ao contrário do
anterior, caracterizam-se por um tempo de atuação constante,
independentemente da magnitude da grandeza que o sensibiliza. Podem ser
ajustados, em geral, para diversos tempos de atuação, dependendo
particularmente das necessidades de um projeto de proteção. Para ajustar a
temporização em um determinado valor, o tempo de disparo independe do
módulo da corrente do sistema, acima do valor ajustado.
4.2.4 - CLASSIFICAÇÃO DOS RELÉS QUANTO À FORMA DE ACIONAMENTO
Os relés podem acionar os equipamentos de interrupção de dois modos distintos, pelos
quais são mais conhecidos:
Relés de ação direta: os relés de ação direta são bastante utilizados na
proteção de pequenas e até médias instalações industriais. Sua grande
vantagem é que geralmente dispensam a utilização de transformadores
redutores, pois estão diretamente conectados ao circuito que protegem, não
necessitando também de fonte auxiliar para realizarem o disparo do disjuntor.
Apresentam facilidade na sua instalação e alguns modelos necessitam de certa
manutenção preventiva, como nos relés fluidodinâmicos, nos quais é
importante manter o fluido temporizado limpo, sem poeira e sem umidade
excessiva, caso contrário, irá tornar suas características sensivelmente
modificadas. Existem alguns modelos pouco conhecidos que são alimentados
por transformadores redutores, conservando assim, sua característica básica,
que é o acionamento direto do disjuntor através de um mecanismo próprio e
41
particular pra cada tipo ou fabricante.
Relés de ação indireta: os relés de ação indireta, comumente chamados de
relés secundários, possuem uma ampla aplicação nas instalações de médio e
grande portes. Seus custos são pouco mais elevados e precisam de
transformadores redutores pra sua alimentação, assim como também
necessitam, em geral, de uma fonte auxiliar de corrente contínua (mais
utilizada) ou de corrente alternada. Por causa do investimento nas unidades
auxiliares, o custo da proteção torna-se mais alto, tendo seu emprego
justificado apenas quando se trata de instalações que possuem transformadores
com potência igual ou superior a 2.000kVA em tensão de 13,8 kV ou
5.000kVA, em tensão de 69 kV. São utilizados ainda na proteção de motores
com potência superior a 500 CV. Em geral, os relés secundários apresentam
uma confiabilidade maior que os demais, além de seus ajustes serem bem mais
precisos e suas curvas de temporização bem mais definidas. Como o próprio
nome diz, esse tipo de relé não atua diretamente sobre o mecanismo de
acionamento do disjuntor. Apenas, quando opera, faz com que ocorra o
fechamento dos contatos do circuito da bobina do disjuntor os quais estão
ligados a uma fonte auxiliar, geralmente de corrente contínua. Esta fonte
normalmente é formada por um conjunto de bateria permanentemente ligadas a
um retificador de alimentação.
4.2.5 - CLASSIFICAÇÃO DOS RELÉS QUANTO À FORMA CONSTRUTIVA
Os relés de proteção possuem diversas características que torna particular a sua
aplicação em determinado sistema, de acordo com requisitos exigidos. O avanço tecnológico
dos últimos anos veio proporcionar uma evolução nos processos de fabricação dos relés,
vindo a possibilitar a integração de outras funções nestes equipamentos, além das funções de
proteção já contidas neles.
4.2.5.1 - RELÉS FLUIDODINÂMICOS
Os relés fluidodinâmicos funcionam através de líquidos (óleo de vaselina), sua
aplicação em uma subestação está relacionada a um elemento temporizador, estes relés são
utilizados em subestações de média e pequena potência (1000 kVA) e em instalações
42
industriais, pois sua limitação está relacionada em não poder ser utilizada ao ar livre, não
sendo assim, utilizadas pelas concessionárias de energia elétrica na proteção se subestações de
potência.
A construção deste relé é feita para ligação direta com a rede e montados nos pólos de
alimentação do disjuntor de proteção. É constituído por um êmbolo móvel que se movimenta
dentro de um recipiente, no qual se coloca certa quantidade de óleo, provocando assim sua
temporização a partir do momento em que o êmbolo é deslocado para fora do recipiente,
provocado pela ação do campo magnético formado pela bobina que é diretamente ligada ao
circuito a ser protegido.
4.2.5.2 - RELÉS ELETROMAGNÉTICOS
Os relés eletromagnéticos são muito antigos e foram muito utilizados até o advento
dos relés fluidodinâmicos, sua aplicação está relacionado à proteção de pequenas subestações.
Tem seu funcionamento muito simples, seu elemento principal, a bobina, é ligada em serie e
diretamente ao disjuntor e possuem acionamentos por desgaste mecânico.
4.2.5.3 - RELÉS ELETRODINÂMICOS
O funcionamento dos relés eletrodinâmicos se dá a partir do princípio básico de
quando duas bobinas atuam, sendo uma móvel, que interage dentro de um campo magnético
formado por outra bobina fixa. Seu princípio de funcionamento baseia-se na passagem de
corrente contínua ou corrente alternada retificada, pelo circuito de bobina móvel, que está
dentro de um campo magnético criado pela bobina fixa, que pode ser substituída por um ímã
permanente. A movimentação que a bobina móvel apresenta, se da pela interação entre os dois
campos magnético que devem possuir mesma polaridade, com a finalidade de que tenham a
rotação desejada, estando assim de acordo com o princípio de que pólos iguais se repelem.
Estes relés não têm uma grande aplicação como elemento de proteção de circuitos primários,
mesmo tendo uma grande sensibilidade. Por outro lado, são normalmente mais caros que os
relés citados anteriormente.
43
4.2.5.4 - RELÉS DE INDUÇÃO
Os relés de indução que são conhecidos também como relés secundários, são bastante
empregados em subestações industriais de potência e de concessionárias de serviço público,
para proteger equipamentos de grande valor econômico.
Seu princípio de funcionamento está baseado na construção de dois magnetos, um
superior e outro inferior, no qual é fixado um disco de indução, em torno do seu eixo. Os
núcleos magnéticos possibilitam que haja a formação de quatro entreferros, sendo que cada
um deles é responsável pelo torque de acionamento do disco. O núcleo superior possui dois
enrolamentos. O primeiro é ligado diretamente ao circuito de alimentação, que no caso é um
transformador de corrente, enquanto o outro é responsável por alimentar o núcleo inferior.
O disco de indução tem um contato, chamado de contato móvel, que atua sobre um
contato fixo através de um movimento de rotação, fechando o circuito de controle. Uma mola
de restrição força o disco de indução a voltar para sua posição inicial, responsável pela
frenagem eletromagnética, tendo seu ajuste feito na instalação pelo meio de parafusos de
ajuste.
4.2.5.5 - RELÉS TÉRMICOS
Geralmente, as máquinas, como transformadores, motores, geradores, etc., sofrem
muito com a elevação da temperatura de seus enrolamentos, o que acarreta em reduzir a sua
vida útil e, consequentemente, falha do equipamento. Para que possa saber o valor verdadeiro
da temperatura no ponto mais quente de uma máquina, necessita-se em colocar sondas
térmicas dentro dos bobinados. Essas sondas, apesar de serem muito eficientes, passam a
fazer parte da mecânica do equipamento, vindas a ter indesejáveis consequências de
manutenção.
Contudo, existem relés que possuem elementos térmicos ajustáveis, denominados de
réplicas térmicas. A corrente de fase do sistema atravessa por eles, diretamente ou por meio de
transformadores de corrente, e, através dos elementos térmicos que tem características
parecidas com as características térmicas do equipamento no qual se deseja proteger, há a
atuação sobre o circuito de alimentação da bobina do disjuntor, desenergizando o sistema
antes que a temperatura chegue a valores acima do máximo permissível para aquela máquina
especificamente. Chamam também esses relés de imagem térmica, pois apresentam a mesma
curva de aquecimento do equipamento que esta sendo protegido.
44
4.2.5.6 - RELÉS ELETRÔNICOS
Os relés eletrônicos surgiram por causa do grande desenvolvimento tecnológico
aplicado à eletrônica dos sistemas de potência. São construídos para satisfazer todas as
necessidades de proteção dos sistemas elétricos, disputando em preço e desempenho com os
tipos eletromecânicos, exceto em pequenos sistemas, podendo nesses utilizar os relés
convencionais de ação direta, não necessitando de transformadores de medida e nem das
fontes auxiliares de alimentação.
A tecnologia estática tem como vantagens em relação aos relés convencionais ser mais
compacta, ser mais precisa nos valores ajustados e o fácil ajuste ou modificação da curva de
operação em uma mesma unidade.
4.2.5.7 - RELÉS DIGITAIS
Quando se utiliza uma proteção baseada em técnicas de microprocessadores, mantém-
se o mesmo princípio e guardam-se os mesmos requisitos básicos empregados aos relés
eletromecânicos e aos relés estáticos ou eletrônicos. Porém, além dos relés digitais oferecerem
as mesmas funções dos relés que o antecedeu, oferecem também novas funções e, maior
velocidade, melhor sensibilidade, acesso remoto, armazenamento de informações,
interfaceamento amigável, etc.
Os relés eletromecânicos utilizam grandezas analógicas da tensão e da corrente e
contatos externos, bloqueio, dentre outros, já os relés digitais utilizam técnicas de
microprocessamento. Porém, as grandezas de entrada continuam sendo analógicas, sendo que,
são convertidas no interior do relé digital, para sinais digitais, através de conversores
analógicos/digitais (A/D).
Os relés digitais, por ter a capacidade de operar conforme uma programação
inteligente e poderosa, diferentemente dos relés eletromecânicos de indução e dos relés
eletrônicos, possui a capacidade de processar digitalmente os valores medidos do sistema,
assim com tensão, corrente, frequência, dentre outros, e de fazer operações lógicas e
aritméticas. Além de desempenhar as funções dos seus antecessores tecnológicos, os relés
digitais apresentam as seguintes vantagens:
Consumo de energia reduzido, diminuindo a capacidade dos transformadores
de corrente;
Alta confiabilidade devido à função de auto-supervisão;
45
Diagnóstico de falha por meio de armazenamento de dados de falha;
Possibilidade de comunicação com um sistema supervisório, através de uma
interface serial;
Possibilidade de serem ajustados à distância;
Durante os procedimentos de alteração nos ajustes mantém a proteção do
sistema elétrico ao nível dos ajustes existentes;
Alta precisão devido à tecnologia digital;
Varias faixas de ajuste com vários degraus e ajuste dor parâmetros guiados por
uma interface amigável;
Valores de medição e dos dados de falha indicados por display alfanumérico;
Segurança operacional com a possibilidade de estabelecer uma senha do
responsável pelo seu ajuste.
Pode-se resumir no que consiste a tecnologia analógica dos relés, no fato de que os
sinais analógicos de entrada são isolados eletricamente pelos transformadores de entrada dos
relés, logo em seguida são filtrados analogicamente e processados pelos conversores
analógicos/digitais.
Figura 14: Imagem genérica de um relé digital.
4.2.5.7.1 - FUNÇÕES DOS RELÉS DIGITAIS
Os relés digitais são caracterizados por três tipos de funções:
Funções de proteção: monitoram as faltas e atuam rapidamente. Possuem uma
larga faixa de medição, operando em valores que podem atingir 20 vezes a
grandeza nominal. Pode ser citada como exemplo de uma função de proteção, a
proteção de sobrecorrente.
46
Funções de medição: são aquelas que exercem supervisão do sistema elétrico.
O relé registra diretamente algumas medições, tais como tensão e corrente,
enquanto outras são obtidas através de cálculos numéricos, tais como potência
e fator de potência. Pode ser citada como exemplo de uma função de medição,
a medição de corrente de um alimentador.
Funções preditivas: realizam as medições cumulativas de certas grandezas,
tais como a duração do tempo de apuração, o numero de operações de um
disjuntor, dentre outras.
4.3 - RELIGADORES AUTOMÁTICOS
O funcionamento de qualquer religador independe do tipo de controle que possuem,
ou seja, ele atua quando o sensor do religador sente uma condição de corrente anormal no
circuito, enviando assim um sinal no sistema de manobra que faz com que aconteça a abertura
dos contatos principais. Passando-se certo tempo, denominado tempo de religamento,
automaticamente, o sensor envia outro sinal ao sistema de manobra, ordenando que efetue o
fechamento dos contatos, reenergizando o alimentador. Se a corrente de defeito persistir, o
religador inicia o chamado ciclo de religamento, onde se efetua um determinado ciclo de
abertura e fechamento dos contatos do religador, de acordo com a programação do controle
em função da condição de serviço na qual se quer que o religador trabalhe.
Resumindo, religadores automáticos são equipamentos que têm a função de
interromper a passagem da corrente elétrica e possuem uma determinada capacidade de
repetições em operações de abertura e fechamento de um circuito, durante a ocorrência de um
defeito.
Os religadores aceitam ajustagens para quaisquer ciclos de operação, com um máximo
de quatro operações:
Uma operação rápida e três retardadas;
Duas operações rápidas e duas retardadas;
Três operações rápidas e uma retardada;
Quatro operações rápidas.
Depois de realizada uma das sequências acima, os contatos se abrem e os mesmos
permanecem bloqueados. Caso a falta persista antes da última operação de disparo do
religador, este irá permanecer bloqueado até que seja religado manualmente. Os religadores
47
devem ser instalados no sistema de acordo com as seguintes condições:
A tensão nominal do religador deve ser compatível com a tensão do sistema;
A capacidade de corrente nominal do religador deve ser igual ou superior a
corrente de demanda máxima do alimentador;
A capacidade de ruptura do religador deve ser igual ou superior à máxima
corrente de curto-circuito trifásica ou fase e terra do sistema no seu ponto de
instalação.
4.3.1 - CLASSIFICADOS DOS RELIGADORES QUANTO AO NÚMERO DE FASES
4.3.1.1 - RELIGADORES MONOFÁSICOS
São aqueles destinados a proteger as redes de distribuição monofásicas. Em redes
trifásicas que alimentam cargas essencialmente monofásicas, podem ser utilizados um
religador monofásico para cada fase. Com isso, se apenas um religador ligado a uma só fase
operar, decorrente de um defeito fase e terra permanente, ele (o religador) será bloqueado no
final do ciclo de religação, sem vir a afetar os outros consumidores que estão ligados às outras
fases do circuito que não foram afetadas.
4.3.1.2 - RELIGADORES TRIFÁSICOS
São aqueles destinados a proteger as redes aéreas de distribuição, onde se necessita o
seccionamento tripolar simultâneo, para que cargas trifásicas ligadas ao alimentador não
funcionem com apenas duas fases.
Também podem ser utilizados bancos de religadores monofásicos, operando em redes
aéreas de distribuição trifásicas, sendo que o seccionamento deve ser simultâneo nas três
unidades religadoras, mesmo que o defeito seja entre quaisquer das fases externas.
48
Figura 15: Religador trifásico.
4.3.2 – CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO SISTEMA DE CONTROLE
Controle por ação eletromagnética;
Controle eletrônico ou;
Controle microprocessado.
4.3.2.1 - CONTROLE POR AÇÃO ELETROMAGNÉTICA
São equipamentos constituídos de uma bobina série na qual a corrente do alimentador
atravessa. Quando a corrente que flui pela bobina é superior à corrente de acionamento, os
três contatos são abertos pelo religador por causa da ação do núcleo da bobina sobre o
mecanismo de disparo. O deslocamento do núcleo da bobina que está ligada em série
comprime a mola de fechamento do religador, tornando-o capaz de realizar uma nova
operação. Neste tipo de religador, todos os componentes do controle fazem parte do próprio
equipamento.
4.3.2.2 - CONTROLE ELETRÔNICO
São equipamentos constituídos de um sistema em estado sólido capaz de memorizar os
ajustes necessários a execução das operações de religamento. O controle eletrônico é
armazenado em um armário e instalado, normalmente, ao lado do religador. São possíveis os
seguintes ajustes:
Valor da corrente de acionamento;
Números de disparos;
49
Curva de atuação.
Figura 16: Religador com controle eletrônico.
4.3.2.3 - CONTROLE MICROPROCESSADO
Os religadores microprocessados não oferecem apenas proteção contra sobrecorrente,
mas também contra sub ou sobrefrequência, ou sub ou sobretensão e apresentam até mesmo
elemento de proteção direcional.
Alguns controladores ainda oferecem a opção de realizar medição de potência e
energia ativa e reativa, além do fator de potência. Além disso, podem oferecer um histórico de
uma ocorrência de falta informando a data e a hora da falta, frequência da tensão no início da
falta, magnitude das correntes das fases e neutro, entre outras informações.
Estes religadores oferecem uma vasta opção de curvas tempo por corrente para se
realizar o ajuste do elemento de sobrecorrente. Tem-se, por exemplo, todas as curvas
características dos religadores hidráulicos e eletrônicos mais as curvas características da
norma ANSI e IEC. Esta característica permite uma maior flexibilidade na coordenação e
seletividade entre os dispositivos de proteção envolvidos. É possível com esta tecnologia
realizar um monitoramento à distância do estado operacional do religador, das manobras
realizadas e dos ajustes de alguns parâmetros da central remota.
4.3.3 – RELIGADORES AUTOMÁTICOS DE INTERRUPÇÃO EM ÓLEO
4.3.3.1 - RELIGADORES DE INTERRUPÇÃO EM ÓLEO PARA SUBESTAÇÃO
São equipamentos apropriados para instalação fixa no solo, sendo este apropriado para
operar na proteção de alimentadores em subestações de construção abrigada ou ao tempo.
A utilização de fonte auxiliar em corrente contínua e alternada em baixa tensão é outra
característica para religadores que são utilizados em subestações, essa fonte serve para
50
alimentar os relés de indução, do motor de carregamento da mola, da sinalização, etc.
Os religadores possuem inclusos uma fonte capacitiva e um transformador de
potencial.
4.3.3.1.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS RELIGADORES A ÓLEO MINERAL PARA
SUBESTAÇÃO, QUANTO AO VOLUME DE LÍQUIDO CONTIDO NO RECIPIENTE
DE INTERRUPÇÃO DE ARCO
4.3.3.1.1.1 - RELIGADORES A GRANDE VOLUME DE ÓLEO (GVO)
São equipamentos que possuem um recipiente que contém óleo mineral no interior do
qual estão instalados seus contatos principais.
O principio básico da interrupção no óleo fundamenta-se na elevação da temperatura
provocada pelo surgimento do arco quando os contatos do equipamento se separam,
resultando na decomposição das moléculas do óleo e na formação de gases. Dos gases
liberados, o hidrogênio é o principal responsável pela extinção do arco devido à sua excelente
capacidade refrigerante e a notável pressão que ele e os demais gases formados exercem sobre
a mesma região do arco.
Este tipo de religador é normalmente trifásico, apropriado para instalação ao tempo ou
abrigada, com estrutura do religador, tendo a sua operação coordenada pela ação de um rele
de religamento.
O religador a grande volume de óleo é composto por três unidades distintas:
Unidade religadora
Unidade de controle
Unidade de baixa tensão
Outro componente do relé de religamento é responsável pelas seguintes
funções:
Numero de aberturas rápidas e com retardo;
Sequência das aberturas rápidas e com retardo;
Numero de operação de abertura até o bloqueio com um máximo de quatro;
Tempo de rearme.
51
4.3.3.1.1.2 - RELIGADORES A PEQUENO VOLUME DE ÓLEO (PVO)
Estes religadores caracterizam-se pela construção dos pólos individuas, no interior dos
quais é processado a extinção do arco.
Os módulos componentes básicos desses tipos de religadores são montados no interior
de um armário metálico, sustentado por uma estrutura em perfil de ferro galvanizado, próprio
para a fixação ao solo.
4.3.3.1.1.3 - RELIGADORES DE INTERRUPÇÃO A ÓLEO PARA SISTEMA DE
DISTRIBUIÇÃO
São equipamentos destinados à instalação em poste, normalmente em estrutura
simples. Sua aplicação é exclusiva na proteção de redes de distribuição rural (RDR) ou de
rede de distribuição urbana (RDU). Os religadores para os sistemas de distribuição são
equipamentos auto-suportados e empregados na interrupção de correntes de defeito em redes
aéreas, após cumprir um determinado ciclo de religamento. A principal característica técnica
que diferencia um religador automático para subestação de um religador automático para
sistema de distribuição é o mecanismo de manobra, enquadrando-se aí os dispositivos
sensores.
4.3.4 - RELIGADORES DE INTERRUPÇÃO A VÁCUO PARA SUBESTAÇÃO
Os religadores a vácuo para subestação são idênticos aos religadores a óleo, com
aparência externa. São normalmente trifásicos, apropriados para instalação ao tempo, com
estrutura fixa ao solo, automatizado pela ação de relés de sobrecorrente, acoplados à própria
estrutura do religador e com a operação coordenada pela atuação do relé de religamento.
Os religadores a vácuo têm como vantagens principais o pequeno tempo de duração do
arco elétrico e o elevado número de manobras, sem que tenha a necessidade da manutenção
dos contatos.
4.3.4.1 - PARTES PRINCIPAIS QUE COMPÕEM OS RELIGADORES A VÁCUO
Unidade de controle;
Unidade religadora;
Buchas;
Câmara de interrupção de arco.
52
A câmara de interrupção a vácuo está localizada no interior do tanque do religador
cheio de óleo mineral, cuja função é de servir como meio dielétrico entre as partes vivas do
equipamento e também como meio de resfriamento das câmaras durante o processo de
operação. O processo de interrupção não contamina o óleo, já que este é efetuado no interior
da câmara a vácuo. A vida útil de uma câmara a vácuo é muito superior a de uma câmara de
interrupção a óleo.
4.3.5 - APLICAÇÃO DOS RELIGADORES EM SUBESTAÇÕES
No inicio de todo alimentador que deriva do barramento de média tensão de uma
subestação de potência, há necessidade da utilização de um equipamento de proteção que
pode ser um disjuntor comandado por relés de sobrecorrente ou um religador também provido
do mesmo tipo de relé, acrescido de um dispositivo, denominado relé de religamento que lhe
permite o mesmo grau de repetições do religador.
Para alimentadores longos, de redes aéreas da distribuição rural, que cortam muitas
vezes áreas de vegetação alta e densa, a probabilidade de defeitos transitórios aumentam
consideravelmente, necessitando-se de uma proteção para limpar esse tipo de defeito
utilizando os religadores para diminuir os tempos de falta de energia dos consumidores.
5 - EQUIPAMENTOS UTILIZADOS PARA PROTEÇÃO E MEDIÇÃO EM
SUBESTAÇÕES
5.1 - TRANSFORMADOR DE POTENCIAL
Transformador de Potencial (TP) é um equipamento utilizado principalmente para
sistemas de medição e proteção de tensão elétrica, sendo capaz de reduzir a tensão do circuito
secundario para níveis compatíveis com a máxima suportável pelos instrumentos de medição.
Sua principal aplicação é na medição de tensões com valores elevados, ou seja, em seu
circuito primário (entrada) é conectada a tensão a ser medida, sendo que no secundário (saída)
será reproduzida uma tensão reduzida que será diretamente proporcional a do primário.
Assim, com menor custo e maior segurança, pode-se conectar o instrumento de medição que
apresentam elevada impêdacia como voltímetro, relé de tensão, bobina de tensão de
medidores de energia no secundário. A razão (divisão) entre a tensão no primário sobre a
tensão apresentada no secundário de qualquer transformador é uma constante chamada de
relação de transformação (RT). A RT é determinada na fabricação do TP pela razão entre o
número de espiras do enrolamento primario sobre o número de espiras do enrolamento
secundário que normalmente é padormizada em 115V e 115/raiz de três, assim conhecendo-se
a RT e a tensão no circuito secundário, tem-se o valor da tensão no circuito primário. Os TPs
podem ser considerados especiais, pois são fabricados de forma a apresentar uma RT com
ótima classe de exatidão que normalmente observam erros de transformação e defasamento
angular. Esse erro é corrigido pelo fator de transformação. Assim a norma NBR 6855
apresenta seguinte tipo de TP quanto a sua classe de exatidão 0,3 - 0,6 - 1,2 e para laboratório
os com 0,1 sendo os mas precisos, ou seja, uma pequena variação na tensão do primário
causará uma variação proporcional também no secundário, permitindo assim que a indicação
no voltímetro apresente uma incerteza de medição muito pequena. A tensão reduzida do
circuito secundário do TP também é utilizada para alimentar, de forma igualmente segura, os
circuitos de proteção e controle de subestações.
54
5.1.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSFORMADORE DE POTENCIAL QUANTO
AO NIVEL DE TENSÃO E SUA CONSTRUÇÃO
Tipo tranformador de potêncial indutivo, que é utilizado com tensão até 138KV
e constituido de enrolamento primario envolvendo um núcleo de ferro-silício
que é comun ao secundario.
Tipo transfoprmador de potencial capacitivo, que é constituído por um conjuto
de capacitores que formam um divisor de tensão e permite a comunicação
atravéz do sistema carrier, esses são utilisados para tensões acima de 138KV.
A não ser pela classe de exatidão, os transformadores de potêncial não se diferenciam
entre si quanto seu uso para medição e proteção.
Figura 17: Transformador de potencial.
5.2 - TRANSFORMADOR DE CORRENTE
O transformador de corrente é um equipamento que permite a realização da medição
da corrente que passa em uma barra, linha, ou a corrente que entra em determinado circuito. A
forma que isto ocorre é através da conversão eletromagnética, assim o primário formado
geralmente por poucas espiras onde circula uma corrente elevada é convertida no secundário
em uma corrente que pode ser de 5 Amperes ou 1Amper, dependendo do fabricante e do lugar
onde o TC será instalado. Um fator importante está na relação de transformação que mostra o
quanto a corrente máxima do primário é maior que a do secundário, tendo um princípio de
que a corrente do primário e do secundário é inversamente proporcional à relação entre o
numero de espiras dos enrolamentos em questão.
O funcionamento de um TC é semelhante a um transformador abaixador, porém, sua
55
corrente secundária aos instrumentos de medição e proteção ser construindo de tamanho
reduzido com bobina de fio com pouca quantidade de cobre e mantendo as características
desses instrumentos de possuir baixa resistência elétrica. Estes são alguns aparelhos
construídos desta forma, que são amperímetro, relés, medidores de energia e potência.
Figura 18: Transformador de corrente.
Os transformadores de corrente utilizados em subestações e grandes parques energéticos
são normalmente constituídos por resina de epóxi e tem o seu primário envolvido com uma
blindagem eletrostática, cuja finalidade é a uniformização do campo elétrico e também:
Elevada rigidez dielétrica;
Elevada resistência dinâmica às correntes de curto circuito;
Elevada capacidade de sobrecarga e;
Elevado grau de isolamento.
Para ser ter um TC que opere com qualidade e excelente condição de precisão deve-se
atentar para a classe de exatidão (valores são 0.1 / 0.3 / 0.6 / 1.2), que têm com função mostrar
o quanto o TC é preciso na sua leitura.
5.2.1 - CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DE UM TC
Corrente nominal é aquela que circula no primário do TC e no sistema no qual se
pretende medir esta corrente, observando a relação de transformação que pode ser de 1:1 ou
até 1:1600. Assim os TCs devem ser especificados de acordo com a carga do secundário.
Fator de sobrecorrente: a norma NBR6856 estabelece que esta corrente para circuito de
proteção seja 20 vezes o fator de serviço.
56
Corrente de magnetização é uma corrente que tem origem no ato da energização do
circuito, esta corrente tem que ser apresentada ao serviço de proteção e medição para análise
da sua curva de magnetização de um TC que varia de acordo com cada TC devido a não-
linearidade magnética dos materiais de sua composição.
Fator térmico: a NBR 6856 estabelece fatores térmicos nominais de 1,0 - 1,2 - 1,3 - 1,5 -2,0 o
fator térmico admissível é de 55°C considerando a elevação de temperatura e os materiais
isolantes utilizados em sua fabricação.
6 – EQUIPAMENTO UTILIZADO PARA MANOBRA EM SUBESTAÇÕES
6.1 – CHAVES SECCIONADORAS
É um dispositivo de manobra que segundo a norma 6935 de equipamentos elétricos
que em posição de aberto satisfaz a distancia de isolamento segura para o circuito e em
posição de fechado garante as condições de continuidade especificada, assim esta chave
conduz corrente em condição normal para o circuito e em condições anormais executam a
mesma função respeitando o limite especificado pelo fabricante. Essas chaves são encontradas
no interior das subestações com o intuito de possibilitar manobras de isolamento de
disjuntores, transformadores de medida, proteção e barramento e nas saídas dos reguladores
dos alimentadores. Quando colocada em uma subestação ou linha de distribuição visam
também facilitar o isolamento de equipamentos ou linhas para serem efetuados os trabalhos de
manutenção ou operação de by-pass no circuito.
Figura 19: Chave Seccionadora
6.1.1 - UNIDADE SECCIONADORA
A definição de seccionadora pode ser observada que esse dispositivo tende a ficar
exposto a vários esforços mecânicos que tem origem nas operações de abertura e fechamento
dos circuitos, mesmo que por menor que seja a corrente a ser interrompida ou restabelecida.
Dessa forma classifica-se essa chave quanto a possibilidade de se fazer a abertura e o
58
fechamento sem carga ou com carga nesse dispositivo. Além de ter características construtivas
como chaves unipolares ou tripolares. Com essa operação simultânea e podendo ser utilizada
com o impulso de um motor.
7 – BARRAMENTOS ELÉTRICOS
Os barramentos são condutores mais resistentes, comumente sólidos e de impedância
insignificante, que são utilizados geralmente como centro comum da recepção e da
redistribuição de corrente.
A denominação arranjo é usada para as formas de se interligar as linhas, transformadores,
equipamentos e cargas de uma subestação.
São divididos em dois tipos de barramentos:
Barramentos flexíveis;
Barramentos rígidos.
Barramentos Flexíveis
Barramentos utilizados em subestações de 13,8kV a 34,5kV;
Este tipo de barramento utiliza condutores de cobre;
Baixa resistividade, boa resistência mecânica, e possui uma elevada capacidade
de trocar calor com o ambiente.
Figura 20: Barramento flexível em cobre.
60
Barramentos Rígidos:
Barramentos utilizados em subestações de 138kV a 500kV;
Este tipo de barramento utiliza condutores de alumínio;
Tem a capacidade de suportar elevadas correntes de carga e de curto-circuito.
Figura 21: Barramento rígido em tubo de alumínio.
7.1 - CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO
Critério elétrico;
Critério térmico;
Critério mecânico.
7.2 - CRITÉRIO ELÉTRICO
Corrente Nominal: a definição é feita quando ocorre equilíbrio térmico entre o
calor produzido pela corrente, por efeito joule, ao passar pelo condutor e o
calor dissipado ao ambiente.
Os fabricantes determinam o quanto os barramentos podem conduzir através de
processos experimentais e ensaios.
As tabelas dos fabricantes relacionam diâmetro do barramento, corrente
nominal e temperatura.
61
7.3 - CRITÉRIO TÉRMICO
Evitar o recozimento do barramento no período em que ocorrer o curto-
circuito.
Para correntes de curto-circuito todo calor produzido na barra provoca
elevação de temperatura, pois devido ao pequeno tempo em que a falha
permanece, não existem perdas por radiação.
Parâmetros considerados: área de seção do barramento, tipo do material,
período de permanência do curto-circuito e, temperatura inicial e final do
barramento.
7.4 - CRITÉRIO MECÂNICO
Esforços mecânicos: peso próprio do barramento, peso dos acessórios, carga do
vento e carga do curto-circuito.
Cálculo de momento fletor, máxima tenção de tração, esforços do vento sobre
o barramento e esforços devido a curto-circuito.
8 - EQUIPAMENTO AUXILIAR UTILIZADO EM SUBESTAÇÕES
8.1 - CHAVE DE ATERRAMENTO RÁPIDO
A chave de aterramento rápido é um equipamento designado à proteção de sistemas
elétricos, que ao ser sensibilizado pela ação de um relé, provoca o aterramento, na maioria das
vezes, de uma fase, fazendo com que atue um disjuntor de retaguarda, comumente localizado
distante do ponto de instalação da referida chave.
O emprego dessas chaves é mais aconselhável em subestações de potência que não
solicitam maiores níveis de continuidade de serviço, pois quando operada, ocorrerá o
desligamento total do sistema a partir do disjuntor de retaguarda. Sua utilização se dá
comumente em subestações das concessionárias que suprem áreas rurais ou pequenas vilas
que possuem cargas de pouca expressão.
A aplicação comumente utilizada da chave de aterramento rápido se dá na proteção de
transformadores de subestações de potência, onde não seria economicamente viável a
instalação de um disjuntor primário para a proteção do já mencionado transformador.
A mecânica de operação do funcionamento da chave de aterramento rápido é simples.
Possui uma bobina de disparo que está em série com um contato do relé de proteção,
comumente o relé diferencial. Ao energizar a bobina, a trava que retém a mola de fechamento
desprende-se, agindo assim a força mecânica armazenada sobre a alavanca de aterramento que
leva à terra a fase correspondente conectada ao contato fixo do terminal da chave.
Figura 22: Chave de aterramento de 12 a 24kV até 110kA.
63
8.1.1 - CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS
As chaves de aterramento são equipamentos de construção muito fortes e constituídos
basicamente de três partes:
Terminal: o terminal representa a chave propriamente dita. Está ligada ao
contato fixo do terminal, uma das fases do sistema que deve ser aterrada por
ocorrência de um defeito. A constituição do contato móvel se dá pela própria
alavanca de aterramento que está ligada constantemente à terra.
Coluna de isoladores: as chaves possuem uma coluna de isoladores
normalmente do tipo pedestal, cujas características elétricas são função do
nível de tensão do sistema.
Caixa de comando: na base da chave está presa a caixa de comando, dentro da
qual encontra-se todo o mecanismo operacional do equipamento, incluindo a
parte mecânica propriamente dita, assim como os relés operacionais.
8.1.2 - CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS
Eletricamente, a chave é formada por uma bobina de operação, que tem a função de
controlar a operação de fechamento da chave.
Quando a chave está destinada a proteger um transformador, é utilizado o relé
diferencial. Se a chave for instalada para by-pass da bobina de Peterson, conectada ao ponto
neutro do transformador, utiliza-se o relé de sobrecorrente.
8.1.3 - ENSAIOS E RECEBIMENTOS
O ensaio das chaves, feito pelo fabricante, deve ser feito nas suas instalações na
presença do inspetor do comprador. Esses ensaios devem constar, no mínimo, de:
Inspeção visual;
Operação manual da alavanca de aterramento;
Operação automática da alavanca de aterramento;
Pressão dos contatos do terminal;
Ensaio da coluna de isoladores e;
64
Capacidade de corrente instantânea.
8.1.4 - ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA
Para obtenção de uma chave de aterramento rápida necessitam-se, no mínimo, as
informações a seguir:
Tensão nominal;
Corrente nominal de descarga;
Tensão suportável de impulso e;
Número de pólos.
9 - EQUIPAMENTOS UTILIZADOS PARA SERVIÇO AUXILIAR EM
SUBESTAÇÕES
9.1 - TRANSFORMADOR DE SERVIÇO AUXILIAR
Em uma subestação o serviço auxiliar faz-se necessário de uma fonte para suprir as
cargas permanentes, cargas essenciais, cargas não essenciais e, cargas de emergência. Em
geral este serviço auxiliar tem como objetivo tornar uma subestação confiável e segura para
os funcionários e sistemas elétricos que garantam a facilidade de operação. Algumas questões
serão definidas a partir do projeto da subestação e da importância para o sistema elétrico,
como: fontes de energia de corrente continua e corrente alternada, escolha dos níveis de
tensão de cada circuito, levantamento e classificação das cargas quanto sua importância e
necessidade de interrupção, e a automação do serviço com uso de fonte externa e geradores.
O serviço auxiliar, que alimenta a subestação, é definido a partir do grau de
importância para o sistema elétrico, assim quanto mais essencial for, maior será os recursos
disponíveis para o serviço continuar interrupto. Alguns recursos irão utilizar fonte em corrente
continuar que independe dos sistemas de potência principais, são aplicáveis para os circuitos
de proteção e controle como motores para o carregamento das molas dos disjuntores,
registradores de gráfico, iluminação essencial e de emergência, equipamento de comunicação
e carga para a proteção atuar. Essas fontes são padronizadas em várias tensões como 24, 48,
125, 220, 225 VCC usados para tele-medição, tele-proteção e telecomunicação. Uma tensão
de 48 VCC e as demais para outros vários circuitos. Para manter a continuidade do serviço
são utilizados bancos de baterias, em casos especiais, gerador próprio.
Em tensão alternada, são utilizados para circuitos não essenciais, no qual, para cargas
de menor importância como iluminação normal, tomadas de uso geral, ar condicionado e
aquecedores dos comandos e refrigeradores dos transformadores, estão alimentadas com as
tensões de 110 e 220 VCA.
Figura 23: Transformador de serviço auxiliar.
66
9.2 - RETIFICADOR/CARREGADOR DE BATERIAS
O retificador transforma corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC), com alta
estabilidade e excelente regulação, sendo formado por uma ponte retificadora semicontrolada
quando for monofásico ou totalmente controlada quando for trifásico. O retificador/carregador
tem a função de alimentar cargas CC e manter em flutuação ou em carga um conjunto de
baterias com tensão estabilizada e limitação de corrente.
Quando ocorre uma falta de CA, o retificador/carregador é desativado e as cargas CC
passam a ser alimentadas através das baterias.
Após a normalização da rede CA, o retificador/carregador volta automaticamente ao
seu funcionamento passando a alimentar as cargas CC, fornecendo, paralelamente, a corrente
de carga para as baterias.
Os retificadores visam a atender as seguintes finalidades específicas:
Suprir as cargas de CC de consumo permanente da subestação;
Suprir a corrente de perdas internas das baterias;
Repor às baterias as correntes transitórias solicitadas nas operações dos
disjuntores, chaves seccionadoras motorizadas, etc. que normalmente superam
a corrente nominal do retificador.
O retificador fornece uma tensão constante, que independe do valor de CC solicitada.
Quando esta corrente passar além do valor nominal do retificador, esta começa a operar como
gerador de corrente constante em lugar de tensão constante, ou seja, se houver um aumento
significativo da corrente, a tensão ficará abaixo de seu valor nominal.
Esta característica de limitação de corrente evita que um curto-circuito na carga possa
causar a queima de seus fusíveis protetores, retirando assim, o retificador de serviço.
67
Figura 24: Retificador/Carregador de baterias.
9.3 - BATERIAS
As baterias são as essenciais fontes de CC e tem como função manter a confiabilidade
da operação de dispositivos de proteção, comando e equipamentos, sinalização, alarmes e
iluminação de emergência. Esta confiabilidade ocorre por ser um equipamento independente
do sistema elétrico ao qual está associada.
É formado por aproximadamente 60 elementos ligados em série, sendo que cada
elemento é composto de duas placas de polaridades contrárias, com tensão nominal de
aproximadamente 2,2 V por elemento, conforme o esquema abaixo.
Figura 25: Esquema de ligação de um banco de baterias.
68
Figura 26: Banco de baterias.
A disposição em paralelo (retificador-bateria) identifica a operação em flutuação. O
conjunto de baterias é normalmente submetido a uma tensão de flutuação de
aproximadamente 132 V, pois seus 60 elementos possuem uma tensão nominal em seus
terminais se 2,2 V.
Nestas condições, o retificador alimenta as cargas permanentes e as transitórias de
curta duração dentro do limite de sua capacidade nominal.
Qualquer aumento excessivo de carga será atendido pela bateria, a qual será
automaticamente recarregada quando acabar a carga não contínua.
Figura 27: Esquema de ligação do conjunto bateria/retificador suprindo a carga.
Ao sair de operação o retificador, toda a carga será sustentada pelas baterias, assim, o
valor de tensão no sistema CC irá cair enquanto permanecer esta condição, até um limite
mínimo aceitável de 105 V, pois abaixo deste valor irá ocasionar danos às baterias, podendo
comprometer a atuação dos equipamentos de manobras para a proteção.
69
Figura 28: Esquema de ligação da bateria suprindo a carga.
9.4 - ATERRAMENTO
Para que se possa garantir a segurança das pessoas e o seu funcionamento correto,
toda instalação de média tensão deve ter uma instalação de aterramento. A NBR 14039, norma
técnica brasileira de MT (média tensão), juntamente com a NR 10, norma regulamentadora do
MTE (Ministério do Trabalho e Emprego), exigem que qualquer instalação elétrica possua um
aterramento. A finalidade desta exigência é a segurança das pessoas, tanto dos profissionais
encarregados da operação e manutenção quanto das pessoas que utilizam a instalação e estão
próximas dela ou sobre sua influência.
Também podem ser citadas como finalidades do aterramento a proteção das
instalações, a melhor qualidade dos serviços, principalmente da proteção e o estabelecimento
de um referencial de tensão para a instalação.
9.4.1 - CLASSIFICAÇÃO QUANTO À FUNÇÃO
Aterramento funcional é quando se aterra um condutor vivo, geralmente o
neutro, tendo como objetivo o funcionamento correto da instalação.
Aterramento de proteção é quando se aterra as massas e os elementos
condutores estranhos à instalação, com o objetivo de proteger a instalação
contra choques elétricos por contatos indiretos.
Aterramento para trabalho é quando se aterra uma parte de um circuito da
70
instalação elétrica, que normalmente possui tensão, mas a colocam
temporariamente sem tensão para que se possam ser realizados trabalhos na
instalação com segurança.
O aterramento consiste principalmente de uma estrutura condutora, que é enterrada
de propósito ou que já se encontra enterrada, e que garante bom contato elétrico com a terra,
conhecida como eletrodo de aterramento, e a junção desta estrutura condutora aos elementos
condutores da instalação elétrica que não são destinados à condução da corrente.
O eletrodo de aterramento, termo este que é normalizado na terminologia oficial
brasileira, pode ser também chamado de malha de terra. O desempenho e as características do
eletrodo de aterramento devem satisfazer as normas de segurança das pessoas, e também as
normas funcionais da instalação.
Esta ligação elétrica intencional com a terra, de caráter provisório ou permanente, é
feita para dotar a instalação de um potencial de referência e/ou de uma passagem de
impedância adequada à corrente de falta. Neste ultimo caso citado, a terra tem que ser
considerada como um elemento do circuito por onde a corrente irá circular, sendo a corrente
proveniente de uma falta ou de descarga atmosférica. Na corrente de falta, o fenômeno é
eletrodinâmico e a corrente sempre percorre por um caminho fechado, incluindo a carga e a
fonte. Na descarga atmosférica, o fenômeno é eletrostático, sendo que a corrente de descarga
circula pela terra para neutralizar as cargas que foram induzidas no solo. Com a circulação de
corrente, podem ser apresentadas consequências, como por exemplo, tensão de contato e
tensão de passo.
O objetivo da malha de terra, sendo que a mesma deve proteger contra choque
elétrico, é de proporcionar uma superfície equipotencial onde estão instalados os componentes
da instalação elétrica e de proteger as pessoas que ali circulam. A superfície equipotencial irá
assegurar que ao circular uma corrente pelo aterramento, seja ela ocasionada por uma falta ou
por uma descarga atmosférica, não terá diferença de potencial entre diferentes pontos
acessíveis por onde a pessoa circula. Esta superfície só será equipotencial se a condutividade
do material da superfície for nula, sendo esta situação irreal e impossível de ser realizada,
tornando-a desnecessária.
Ao se projetar uma malha de aterramento de uma instalação de media tensão, tem-se
que visar uma condição aceitável, uma situação real, onde poderão surgir gradientes de
potencial ao longo da superfície do piso da subestação, pois circulam correntes pelo solo,
como por exemplo, correntes de falta.
71
Podem sim aparecer valores de gradientes no piso, sendo que estes valores devem ser
aceitáveis, isto é, precisam estar dentro das faixas aceitáveis pelas pessoas.
Os limites suportáveis de gradientes de potencial de uma malha de terra são
especificados a partir de dois fatores comumente utilizados, que são as tensões de passo e de
contato. A tensão de passo é gerada por uma corrente que circula pela terra entre dois pontos
de sua superfície, pontos estes que distam entre si uma largura de um passo de uma
pessoa (esta largura do passo, ou seja, entre os dois pontos, corresponde a 1 metro, a nível de
dimensionamento e projeto). Já a tensão de contato é a tensão que aparece entre partes
simultaneamente acessíveis, quando há uma falta de isolamento.
Figura 29 – Tensão de passo e tensão de contato provocado por um eletrodo de aterramento.
9.4.2 - ELETRODO DE ATERRAMENTO EM UMA SUBESTAÇÃO DE MÉDIA
TENSÃO
Assim como em outras áreas, como nas instalações elétricas de baixa tensão ou nos
sistemas de proteção contra descargas atmosféricas, nas instalações elétricas de média tensão
o eletrodo de aterramento deve constituir no mínimo um anel circulando o perímetro da
edificação, no caso, circulando a subestação.
O que irá verdadeiramente e com eficiência garantir a proteção dos empregados e
72
usuários contra choque elétrico e contato indireto é o sistema de aterramento da subestação, e
o desempenho do eletrodo de aterramento da subestação deve ser compatível com esta função.
Do ponto de vista da segurança dos usuários da instalação, a tensão de contato é o parâmetro
mais importante no dimensionamento do eletrodo de aterramento, pois é claro, ele é maior do
que a tensão de passo. A maior tensão de contato na qual uma pessoa pode der submetida em
uma instalação de média tensão encontra-se na NBR 14039.
Outra especificação do eletrodo que deve ser lembrada é que o valor da resistência de
aterramento deve atender as condições de proteção e funcionamento da instalação elétrica, de
acordo com o esquema de aterramento que será utilizado.
Portanto, determina-se a seguinte sequência para o dimensionamento do eletrodo de
aterramento de uma subestação de média tensão:
1. Verificar qual é a máxima corrente de falta;
2. Verificar o tempo de eliminação da falta pela atuação da proteção;
3. Verificar na curva de tensão de contato X tempo, qual a máxima tensão de contato
aceitável e;
4. Projetar uma malha em função da: corrente de falta, máxima tensão de contato
aceitável e, resistividade do solo.
Seguindo todos os passos apresentados e utilizando um método adequado para
projetar a malha, o resultado encontrado é tamanho da malha básica, também conhecida com
“mash”, e a grossura de concreto do piso da subestação.
A figura 30 ilustra com um exemplo qualitativo a aplicação de um eletrodo de
aterramento em uma subestação de média tensão.
Figura 30 – Eletrodo de aterramento em malha de uma subestação.
10 – ANÁLISE INTRODUTÓRIA SOBRE AUTOMAÇÃO EM SUBESTAÇÕES DE
POTÊNCIA
10.1 - AUTOMAÇÃO EM SUBESTAÇÕES
Nos dias atuais os projetos de subestação estão cada vez mais complexos. As
subestações que tinham os relés eletromecânicos como meio de garantir a segurança dos
equipamentos e pessoas estão passando por um processo de automação que visa permitir a
medição dos níveis de tensão e corrente e outras grandezas. Além de vistoriar todas as etapas
dos equipamentos que compõem uma subestação em tempo real, podendo realizar manobras
em equipamentos controlados por CLP’s monitorados por GPS. Assim, os vários relés digitais
e os muitos microprocessadores têm importância essencial na aplicação dessa tecnologia para
realização de benefícios e do bem estar do sistema elétrico.
10.2 - PARTES E COMPONENTES DE UMA SUBESTAÇÃO AUTOMATIZADA
A automação de uma subestação vem acompanhando o desenvolvimento da tecnologia
com a incorporação de vários componentes de funções diferenciadas, visando mais controle
sobre todas as situações ocorridas em uma subestação. Cada geração de tecnologia resolve
uma determinada necessidade, assim temos como equipamentos:
Medidores digitais de faturamento;
Relés de proteção;
Controles de bays;
Oscilografia;
Monitoramento de qualidade de energia;
Unidade Terminal Remota de supervisão (UTR);
Registro de evento – data logger;
Relés de multifunção microprocessados;
Multimedidor de energia;
Controlador Lógico Programável (CLP);
Antena e receptor de GPS (Global Positioning System).
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Ao longo do desenvolvimento do estudo dos principais equipamentos utilizados em
uma subestação de transformação, pôde-se explicar o funcionamento, utilização e as
características destes, assim como foram descritas a proteção e medição que os mesmos
oferecem.
Cada tipo de subestação tem uma funcionalidade para cada aplicação. O estudo pôde
mostrar também o que determina o uso correto de cada SE, visando o espaço necessário, os
meios físico em que a instalação será construída e os intempéries da natureza, para a
implantação das mesmas.
Pode-se concluir com o descrito no trabalho monográfico que o papel de uma SE é
transformar os parâmetros da potência elétrica (tensão e corrente) a níveis favoráveis de
trabalho e que não se tenham tantas perdas, utilizando assim cada equipamento adaptado para
o nível de tensão, corrente e corrente de curto-circuito adequado para a utilização dos mesmos
na transformação, proteção e medição da energia elétrica e dos componentes que permitem tal
ação.
REFERÊNCIAS
[Filho, 2005] Filho, João Mamede – Manual de Equipamentos Elétricos – 3ª Edição – Editora
LTC – Rio de Janeiro – 2005.
[Filho, 2001] Filho, João Mamede – Instalações Elétricas Industriais – 6ª Edição – Editora
LTC – Rio de Janeiro – 2001.
[Bossi & Sesto, 2002] Bossi, Antonio & Sesto, Ezio – Instalações Elétricas – Volume 1 – 6ª
Edição – Editora Hemus – Curitiba – 2002.
[Bossi & Sesto, 2002] Bossi, Antonio & Sesto, Ezio – Instalações Elétricas – Volume 2 – 6ª
Edição – Editora Hemus – Curitiba – 2002.
[UFF, 2009] Subestações: Tipos, Equipamentos e Proteção. Autor: Paulo Duailibe. Capturado
em 15 fev 2012. http://www.uff.br/lev/downloads/apostilas/SE.pdf. On Line.
[Say, 2004] Say, M. G. – Eletricidade Geral – Editora Hemus – Impresso no Brasil – 2004.
[Filho, 2010] Filho, Domingos Leite Lima – Projetos de Instalações Elétricas Industriais – 11ª
Edição – Editora Érica – São Paulo – 2010.
[Niskier & Macintyre, 2008] Niskier, Julio & Macintyre, A. J. – Instalações Elétricas – 5ª
Edição – Editora LTC – Rio de Janeiro – 2008.
[Creder, 2007] Creder, Hélio – Instalações Elétricas – 15ª Edição – Editora LTC – Rio de
Janeiro – 2007.
