Subestações Elétricas

Aula 1:

1. Subestações elétricas A geração de energia elétrica no Brasil é 80% produzida a partir das usinas hidrelétricas, sendo essa energia transformada em subestações a elevados níveis de tensão e transportadas em corrente alternada (60 Hz) através de linhas de transmissão até subestações rebaixadoras, e depois distribuídas aos centros de consumo. A energia elétrica para ser encaminhada desde a geração até a distribuição tem que ter meios de dirigi-la adequadamente, por meio de conexões, para que permitam manobrar as linhas de transmissão e os alimentadores da forma mais confiável possível. Além das manobras temos que ter meios de modificar a tensão e regular seus níveis visando melhor atender às necessidades dos níveis de tensão que são obtidas pelas subestações elétricas (SE). Uma subestação (SE) é um conjunto de equipamentos de manobra e/ou transformação e ainda eventualmente de compensação de reativos usados para dirigir o fluxo de energia em sistema de potência e possibilitar a sua diversificação através de rotas alternativas, possuindo dispositivos de proteção capazes de detectar os diferentes tipos de faltas que ocorrem no sistema e de isolar os trechos onde estas faltas ocorrem, possibilitando enviar adequadamente esses blocos de energia de um ponto a outro.

1.1. Função, Tipo e Diagramas de Subestação

O sistema elétrico de potência é definido como o conjunto de todas as instalações e equipamentos destinados à geração de energia elétrica, sua transmissão e distribuição até os consumidores. Trabalho: A configuração de um sistema elétrico de potencia é dividido em geração, transmissão, subtransmissão e distribuição. De acordo com a nossa legislação quais as tensões (em kV), usuais em cada etapa, depois da geração, do nosso sistema?

Usina SE

Elevadora SE

Abaixadora SE

Distribuição RA Cargas

Aula 2:

1.1.1. As funções das Subestações Elétricas

a) Transformação Altera os níveis de tensão de modo a adequá-los as conveniências de transmissão, distribuição e consumo.

b) Regulação Regula os níveis de tensão a fim de mantê-los nos limites aceitáveis e admissíveis.

c) Chaveamento Conecta e desconecta os componentes do sistema de transmissão ou distribuição com finalidade de orientar o fluxo de energia elétrica isolando as partes em manutenção e mantendo a comodidade no fornecimento de energia elétrica.

1.1.2. Tipos de Subestação Considerando que as subestações podem interligar sistemas elétricos (duas ou mais fontes), distribuir energia na tensão de transmissão para outros centros consumidores ou para distribuição local em tensões de subtransmissão e distribuição, podemos considerar os seguintes tipos de subestação:

a) Subestação elevadora Recebe energia na tensão de geração e a eleva para tensões de subtransmissão ou transmissão.

b) Subestação abaixadora Recebe tensão de transmissão ou subtransmissão, reduzindo para distribuição. Dependendo da localização da SE ou da forma como é conectada ao sistema podemos ter:

a) Subestação interligadora Recebe energia de duas ou mais fontes objetivando o transporte para grandes centros consumidores.

b) Subestação de transmissão Parecida com a interligadora, recebe grandes blocos de energia e transmite a outros centros consumidores nas tensões de transmissão e/ou subtransmissão.

c) Subestação de distribuição Destinada a abaixar a tensão ao nível de distribuição, de modo adequado para utilização direta dos consumidores.

d) Subestação industrial Recebe energia nas tensões de transmissão ou subtransmissão, ou mesmo tensão de distribuição e transforma na tensão adequada para a utilização direta na indústria.

Aula 3:

1.1.3. Diagramas de Subestação O diagrama é a representação gráfica por meio de símbolos que caracterizam um equipamento. Numa subestação, indica a quantidade de equipamentos, suas funções e interligação. Num diagrama deve-se manter a posição real dos equipamentos o mais próximo da realidade. O diagrama deve possibilitar absoluta clareza a seus usuários, facilitando a interpretação. É necessário fazer traços bem definidos, usando sempre ângulos retos nas derivações de barramentos, linhas de alimentação e atuação. Os diagramas podem ser unifilares em que todos os condutores são representados por um único traço, ou multifilares quando cada condutor será representado por um traço. Os diagramas mais usados em subestação são:

a) Unifilares simplificados: Indica somente o arranjo funcional elétrico e a disposição dos principais equipamentos da SE. Assim, nesse tipo de diagrama, figuram os barramentos, transformadores de força, reguladores de tensão, banco de capacitores, chaves seccionadoras, chaves fusíveis, disjuntores, religadores, transformadores de aterramento e chaves de aterramento rápido. Sendo que nem sempre são usados todos os equipamentos citados anteriormente.

b) Unifilares completos: Este diagrama, além de indicar os mesmos elementos do simplificado, mostra também outros detalhes de medição, proteção e forma de atuação de relés. Assim, teremos também tipos de TC’s, TP’s, medidores, sistemas de proteção, para-raios, comunicação, a quantidade dos equipamentos instalados, seu modo de operação e intertravamentos. Em última análise, num diagrama unifilar completo, podemos saber tudo sobre a subestação, sob o ponto de vista funcional e elétrico, menos os aspectos físicos.

c) Unifilares operacionais: Basicamente são diagramas iguais aos simplificados, diferenciando deles apenas quanto a identificação dos equipamentos de manobra (seccionadoras e disjuntores). Estes diagramas destinam-se ao planejamento e/ou orientação quanto às operações necessárias de uma SE. Aula 4:

2. Equipamentos de Subestação

2.1. Barramentos É um dispositivo elétrico cuja finalidade é receber energia elétrica de uma ou mais antes e distribuir para uma ou mais cargas na mesma tensão. É por meio de barramentos que são feitas as conexões entre as linhas de transmissão e distribuição. Podem ser de tubos, barras metálicas ou cabos de alumínio.

Símbolo: BP BT Denominação: BP – Barramento principal BT – Barramento de transferência

2.1.1. Arranjos de barramentos É necessário estudar a disposição elétrica relativa das barras, entre si, e em relação aos dispositivos de manobra dos circuitos. Essa forma de realizar a conexão elétrica entre os vários circuitos é representada pelo arranjo do barramento. Para selecionar o arranjo mais adequado a cada subestação é conveniente levar em conta alguns critérios básicos, como: - flexibilidade de operação; - segurança do sistema elétrico; - simplicidade do sistema de proteção; - facilidade de manutenção; - possibilidade de limitação do nível de curto-circuito; - possibilidade de fácil expansão; - critérios do aspecto de custo/benefício. Sendo que o custo não pode interferir no aspecto técnico a ponto de prejudicar o desempenho da instalação. Esse custo não é apenas de instalação da subestação, mas também o de uma interrupção no fornecimento de energia, as despesas com manutenção e os custos devido a impossibilidade de operação do sistema em condições econômicas ótimas. É claro que os aspectos particulares da cada empresa, o grau de importância dado a cada um dos critérios e os aspectos subjetivos do projetista darão características particulares a cada subestação.

2.1.1.1. Classificação dos arranjos de barramentos

2.1.1.1.1. Arranjo tipo barra simples É composto de uma única barra na qual são conectadas as LT’s e os transformadores. Geralmente é utilizado em subestações de média importância, como subestações industriais e de distribuição. As vantagens são a simplicidade, o baixo custo e as manobras simples. As desvantagens são a pouca flexibilidade de operação, as dificuldades para manutenção, pois exige desligamento, interrompendo o fornecimento de energia.

BS – Barra simples Aula 5:

2.1.1.2. Arranjo tipo barra principal e de transferência Esse sistema de arranjo apresenta uma boa confiabilidade, permite manobrar qualquer um dos disjuntores (LT ou transformador), sem que haja necessidade de interromper o fornecimento. Embora mais caro, o arranjo com barra de transferência, ou auxiliar, ou "by-pass”, é uma solução intermediária que satisfaz as necessidades operacionais da maioria das subestações. BP BT BP – Barramento principal BT – Barramento de transferência De acordo com esse arranjo, concluímos que o disjuntor de transferência (o que energiza a barra de transferência) pode substituir qualquer um dos demais disjuntores, porém um de cada vez. Quando o disjuntor de transferência estiver em operação, toda a proteção do circuito substituído deverá ser transferida para atuar sobre ele. 2.1.1.1.3. Arranjo tipo barra dupla Esse tipo de arranjo é utilizado onde há necessidade de várias conexões de fontes ou linhas. Essa flexibilidade é exigida nas subestações importantes onde os valores de correntes são elevados.

BD – Barramento duplo Embora a manutenção de uma barra não cause grandes transtornos, a manutenção exige em alguns casos o desligamento do circuito. Uma variação desse sistema, e também mais cara é a utilização de uma barra auxiliar. Esse sistema é operacionalmente mais completo, pois o disjuntor de acoplamento à barra auxiliar garantirá a continuidade do fornecimento de energia durante uma manutenção. Para tensão superior a 230 kV e instalação de grande importância, podemos acrescentar mais um disjuntor nas conexões diretas dos barramentos. Sendo que esse arranjo, além do custo elevado devido a grande quantidade de disjuntores e seccionadoras, exige uma maior sofisticação de proteção, manutenção mais onerosa e espaços físicos maiores. Aula 6:

2.1.1.1.4. Arranjo tipo barramento em anel Barramento em anel é extremamente interessante, principalmente em instalações de médio porte. Esse sistema permite que um disjuntor saia de serviço sem prejudicar o fornecimento de energia. O sistema consiste em ter um barramento em forma de anel em que teremos para cada conexão do barramento, um disjuntor com as respectivas seccionadoras, conforme diagrama. É fácil observar que este arranjo obriga a todos os equipamentos inseridos no anel serem dimensionados com a máxima corrente prevista na instalação. Esse aspecto limita o número de circuitos a serem conectados no anel. Um bom número é de seis a oito conexões. Sob o ponto de vista de manutenção, o sistema permite fazê-la sem interrupção, já que haverá sempre uma segunda alternativa para o fluxo de energia para cada uma das conexões. Para ampliações, o sistema em anel não é muito flexível, razão pela qual deve ser adotado para subestações em que o número de conexões é definido e as ampliações previstas. O anel é uma solução bastante utilizada para subestação tipo distribuição quando um LT e seccionada para sua energização. 2.1.1.1.5. Arranjo tipo um disjuntor e meio Esse sistema combina as características vantajosas dos arranjos em anel e de barra dupla. O nome deve-se ao fato de que para cada duas conexões à barra, necessitamos de três disjuntores, ou seja, para cada conexão, um disjuntor e meio.

Com esse arranjo é possível selecionar a barra adequada, além de dispor de um disjuntor reserva para cada par de conexão. Como o arranjo necessita de um grande número de disjuntores, seccionadoras e de outros equipamentos, todos dimensionados para suportar pelo menos a carga total de dois circuitos, o seu custo elevado e a instalação é complexa. Além de exigir maiores cuidados na manutenção e no sistema de proteção. A alta confiabilidade desse arranjo e a grande flexibilidade de operação é particularmente adequada em subestação conectada a várias fontes de energia possibilitando a operação individual do circuito. Normalmente esse sistema é empregado em subestação de 230 kV ou superior. Aula 7:

2.2. Chaves seccionadoras É um dispositivo elétrico destinado a isolar um circuito ou trecho de circuito ou um equipamento. Normalmente está inter-travada com um disjuntor porque só pode ser aberta ou fechada quando esse disjuntor estiver também, ou seja, jamais pode ser operada com carga. Quanto aos tipos de abertura de chaves seccionadoras temos: Chave seccionadora de abertura lateral Chave seccionadora com dupla abertura lateral Chave seccionadora com abertura central

2.3. Disjuntores É um dispositivo elétrico capaz de interromper a corrente elétrica com carga e, inclusive, em condições de curto-circuito, sem sofrer os danos ocasionados pelo arco voltaico quando acoplado a relés, proporciona um perfeito sistema de proteção aos circuitos a ele ligados. O disjuntor é um equipamento cujo funcionamento apresenta aspectos bastante singulares. Opera continuamente sob tensão e corrente de carga muitas vezes em ambientes muito severos, no que diz respeito à temperatura, à umidade, à poeira, etc. Em geral, após longo tempo nestas condições, às vezes até anos, é solicitado a operar por conta de um defeito do sistema. Nesse instante, todo o seu mecanismo, inerte até então, deve operar com todas as suas funções, realizando tarefas tecnicamente difíceis, em questão de décimos de segundos. Podemos ter os seguintes tipos de disjuntores: com grande volume de óleo, com volume reduzido de óleo, a gás – “SF6”. Os dois primeiros diferem em vários aspectos, a começar pelas suas dimensões. O disjuntor com volume reduzido de óleo possui uma tecnologia mais sofisticada, sendo seu tempo de abertura dos contatos menor que o de grande volume. Possui ainda a vantagem da facilidade de manutenção e manuseio podendo ser extraível. Com desvantagem em relação ao de grande volume estão o número de manutenção que devem ser feitas com maior frequência. O disjuntor a gás utiliza o gás SF6 como elemento para eliminar o arco voltaico na chave. Esses são os disjuntores mais usados, apesar de existirem outros modelos no mercado. Disjuntor (esse símbolo vale para todos os tipos) Aula 8:

2.4. Religadores Automáticos O religador automático é um disjuntor simples acoplado a um sistema de religamento automático que pode ser eletrônico ou hidráulico. Os religadores automáticos são utilizados nas saídas dos alimentadores de 13,8 kV e 34,5 kV, da rede de distribuição das subestações, por permitir transitórios sejam eliminados sem a necessidade de deslocamento de pessoal de manutenção para percorrer o alimentador em falta. Como o religador possui um relé de religamento (geralmente ajustado para três religamentos de 3 segundos), num curto-circuito rápido, por exemplo, ocasionado por um galho de árvore que venha a cair sobre os cabos dentro do período de ajuste dos três religamentos, evita que o alimentador seja desligado e a equipe de manutenção seja chamada, evitando que os consumidores fiquem sem energia elétrica por um período de tempo maior. Religador automático

RA

2.5. Pára-raios É um dispositivo destinado a proteger os circuitos e os equipamentos a ele ligados de descargas atmosféricas, as quais ocasionam sobretensão na linha podendo danificar os equipamentos, caso não estejam protegidos. Devido a essas características, os para-raios são colocados nas entradas dos primários e saídas dos secundários e terciários dos transformadores de força, nas entradas e saídas de linhas de transmissão das subestações e no barramento antes das muflas e entrada e saídas dos cabos subterrâneos. O para-raios é um dispositivo que tem a finalidade de limitar os valores dos surtos de tensões transitantes que, de outra forma, poderiam causar severos danos aos equipamentos elétricos. Para um dado valor de sobretensão, o para-raios (que antes funcionava como isolador) passa a ser condutor e descarrega parte da corrente para a terra, reduzindo ou mesmo anulando essa corrente de acordo com o referido para-raios. A tensão máxima, à frequência nominal do sistema, a que o para-raios poderá ser submetido, sem que se processe a descarga da corrente elétrica através do mesmo. Aula 9:

2.5.1. Características construtivas dos para-raios

2.5.1.1. Para-raios com gap e resistor não linear Estes para-raios são constituídos basicamente de um gap em série com um resistor não linear, colocados no interior de um invólucro de porcelana. O gap é o elemento que separa eletricamente a rede dos resistores não lineares. Constitui-se de um conjunto de “sub-gap’s” cuja finalidade é a de fracionar um número de pedaços, a fim de poder exercer um melhor controle sobre ele, no momento de sua formação, durante o processo de descarga e na sua extinção. Nos para-raios convencionais o resistor não linear é fabricado basicamente com o carbono de silício. Com este material pode-se observar que por ocasião de tensões baixas tem-se uma resistência elevada, e com tensão elevada uma resistência baixa.

2.5.1.2. Para-raios de óxido de zinco O para raios de óxido de zinco constitui-se basicamente do elemento não linear colocado no interior de um corpo de porcelana. Neste para-raios não são necessários os gaps em série, devido às excelentes características não lineares do óxido de zinco. Os para-raios de óxido de zinco apresentam vantagens sobre os para-raios convencionais entre as quais podem ser citadas:

1. Inexistência de gaps (os gaps estão sujeitos a variação na tensão de descarga de um para-raios que não esteja adequadamente selado, a fim de que o número elevado de partes no gap aumenta o número de falhas);

2. Inconvenientes apresentados pelas características não lineares do carbonato de silício;

3. Para-raios convencionais absorvem mais quantidade de energia do que os para-raios de óxido de zinco, o que permite a este último absorção durante um maior número de ciclos.