BobinaDeBloqueio

8/14/2019 BobinaDeBloqueio

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UNIVERSIDADE DE SO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SO

CARLOS

Guia de projeto para subestaes de altatenso


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RENATO MASAGO GONALVES

Guia de projeto para subestaes de altatenso


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AUTORIZO A REPRODUO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO,POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINSDE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.


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I

AGRADECIMENTOS

Agradeo primeiramente a Deus por me proporcionar todas as condies fsicas,

financeiras, emocionais e espirituais para iniciar e completar o curso de Engenharia Eltrica

com nfase em Eletrnica.

Agradeo aos meus pais Daniel Gonalves e Rita de Cssia Eller por todo o apoio dado

durante todo o curso, por todos os conselhos e todas as repreenses.

Agradeo ao meu irmo Cesar Augusto Eller por todo o tempo que despendeu

escutando meus problemas, me aconselhando e me motivando.

Agradeo aos professores e funcionrios da Escola de Engenharia de So Carlos pelo

tempo e esforo dispendido na minha formao, em especial ao Prof. Dr. Ruy Alberto Corra

Altafim, meu orientador.


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II


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III


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IV


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V

SUMRIO

AGRADECIMENTOS ................................................................................................................I

SUMRIO ................................................................................................................................. V

LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. IX

LISTA DE TABELAS........................................................................................................... XIII

LISTA DE SIGLAS................................................................................................................ XV

RESUMO............................................................................................................................. XVII

ABSTRACT .......................................................................................................................... XIX

1 INTRODUO ................................................................................................................ 21

1.1 Sistemas Eltricos de Potncia................................................................................... 21

1.2 Subestaes ................................................................................................................ 24

2 SUBESTAES DE ALTA TENSO ............................................................................ 25

2.1 Classificao das Subestaes ................................................................................... 25

2.2 Configuraes Tpicas de Subestaes ...................................................................... 26

2.2.1 Barramento Singelo ou Simples ......................................................................... 28


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VI

4.2 Reatores em Derivao .............................................................................................. 65

4.2.1 Classificao dos Reatores em Derivao ......................................................... 66

4.3 Disjuntores................................................................................................................. 67

4.3.1 Princpio de Funcionamento dos Disjuntores .................................................... 68

4.3.2 Tipos de Disjuntores .......................................................................................... 70

4.3.3 Acessrios dos Disjuntores ................................................................................ 73

4.4 Chaves ....................................................................................................................... 73

4.4.1 Classificao das Chaves ................................................................................... 75

4.4.2 Tipos Construtivos das Chaves .......................................................................... 76

4.4.3 Acessrios das Chaves ....................................................................................... 78

4.5 Transformadores de Corrente .................................................................................... 78

4.5.1 Classificao dos Transformadores de Corrente ................................................ 79

4.5.2 Tipos Construtivos dos Transformadores de Corrente ...................................... 80

4.5.3 Correntes Nominais e Relaes Nominais dos Transformadores de Corrente .. 82

4.5.4 Classes de Exatido dos Transformadores de Corrente ..................................... 83

4.6 Transformadores de Potencial ................................................................................... 85


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VII

5 EQUIPAMENTOS DE MDIA TENSO..................................................................... 113

5.1 Corrente de Curto-Circuito ...................................................................................... 113

5.2 Diferenas entre Equipamentos de Alta Tenso e Mdia Tenso ............................ 114

5.2.1 Disjuntores ........................................................................................................ 114

5.2.2 Religadores ....................................................................................................... 116

5.2.3 Chaves Seccionadoras ...................................................................................... 116

5.2.4 Cubculos Blindados de Mdia Tenso ............................................................ 117

5.2.5 Resistores de Aterramento ................................................................................ 123

6 EQUIPAMENTOS AUXILIARES ................................................................................. 125

6.1 O Sistema de Servios Auxiliares ............................................................................ 125

6.1.1 Servios Auxiliares em Corrente Alternada ..................................................... 126

6.1.2 Servios Auxiliares em Corrente Contnua ...................................................... 126

6.2 Bancos de Baterias ................................................................................................... 127

6.3 Bancos de Retificadores ........................................................................................... 131

6.4 Transformadores de Servios Auxiliares ................................................................. 132

6.5 Painis Auxiliares .................................................................................................... 133


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VIII

8.2 Passo 1: Uma nova subestao necessria? .......................................................... 171

8.3 Passo 2: Como ser feita a nova subestao? .......................................................... 171

8.4 Passo 3: Onde instalar a subestao? ...................................................................... 172

8.5 Passo 4: Encontrou-se uma soluo satisfatria? .................................................... 174

8.6 Passo 5: Especificao dos Equipamentos .............................................................. 174

8.6.1 Equipamentos de Alta Tenso .......................................................................... 176

8.6.2 Equipamentos de Mdia Tenso ...................................................................... 182

8.6.3 Equipamentos de Servios Auxiliares .............................................................. 183

8.7 Passo 6: Especificao dos Sistemas ....................................................................... 186

8.7.1 Especificao do Sistema de Proteo, Controle e Supervisrio ..................... 186

8.7.2 Especificao do Sistema de Teleproteo ...................................................... 187

8.7.3 Especificao do Sistema de Deteco e Combate Incndio ........................ 187

8.7.4 Especificao dos Sistemas de Segurana ....................................................... 188

8.7.5 Especificao do Sistema de Aterramento ....................................................... 188

8.7.6 Especificao do Sistema de Proteo Contra Descargas Atmosfricas ......... 189

8.7.7 Especificao dos Estudos ............................................................................... 189


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IX

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Sistema Eltrico de Potncia ................................................................................... 21

Figura 2 - Interligaes do sistema eltrico de potncia do Brasil .......................................... 22

Figura 3 - Gerao mundial de eletricidade por combustvel (trilhes de kWh) .................... 23

Figura 4Gerao no Brasil de eletricidade por combustvel (trilhes de kWh) .................. 24

Figura 5 - Diagrama unifilar ..................................................................................................... 27

Figura 6 - Diagrama trifilar ...................................................................................................... 27

Figura 7 - Representao de disjunto e chave .......................................................................... 28

Figura 8 - Barra simples sem seccionamento ........................................................................... 29

Figura 9 - Barra simples com seccionamento ........................................................................... 29

Figura 10 - Barra simples mais barra de transferncia ............................................................. 29

Figura 11 - Barra dupla mais barra de transferncia ................................................................ 29

Figura 12 - Barra dupla com chaveamento de paralelismo ...................................................... 30

Figura 13 - Barra dupla - dois disjuntores ................................................................................ 30


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X

Figura 31 - Disjuntor Siemens245 kV .................................................................................... 68

Figura 32 - Chave seccionadora com abertura dupla lateral e anis para reduo de efeito

Corona ..................................................................................................................................... 74

Figura 33 - Esquema construtivo dos tipos de chaves ............................................................. 77

Figura 34 - Transformadores de corrente ................................................................................ 79

Figura 35 - Transformador de corrente do tipo enrolado ......................................................... 80

Figura 36 - Transformador de corrente do tipo barra............................................................... 81

Figura 37 - Transformador de corrente do tipo janela ............................................................. 81

Figura 38 - Transformador de corrente do tipo bucha ............................................................. 81

Figura 39 - Transformador de corrente do tipo ncleo dividido .............................................. 82

Figura 40 - Transformador de potencial indutivo ................................................................... 86

Figura 41 - Para-raios Siemens................................................................................................ 90

Figura 42 - Bobina de bloqueio ............................................................................................... 94

Figura 43 - Esquemtico das bobinas de bloqueio .................................................................. 95

Figura 44 - Esquema de uma unidade capacitiva .................................................................... 99

Figura 45 - Banco de capacitores .......................................................................................... 100


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XI

Figura 61 - Resistor de aterramento ...................................................................................... 123

Figura 62 - Banco de baterias ................................................................................................ 127

Figura 63 - Exemplo de curva de descarga de baterias ......................................................... 129

Figura 64 - Exemplo de curva de fator de capacidade Kt ..................................................... 130

Figura 65 - Retificador/carregador de baterias ...................................................................... 131

Figura 66Transformador de servios auxiliares a leo ...................................................... 133

Figura 67Transformador de servios auxiliares a seco ..................................................... 133

Figura 68 - Grupo gerador 480V e 569 kVA ......................................................................... 135

Figura 69 - Exemplo de tela do Sistema Supervisrio atravs de IHM ................................ 146

Figura 70 - Nveis de automao ........................................................................................... 147

Figura 71 - Cabo OPGW ....................................................................................................... 151

Figura 72 - Esquema do Sistema OPLAT .............................................................................. 152

Figura 73 - Sistema de sprinklers .......................................................................................... 154

Figura 74 - Cilindros para sistema fixo de CO2..................................................................... 154

Figura 75 - Sistema de gua nebulizada ................................................................................ 155

Figura 76 - Tanque de armazenamento de pr-mistura para espuma .................................... 155


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XII


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XIII

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Projeo de consumo de energia eltrica no Brasil ................................................ 23

Tabela 2 - Comparativo entre configuraes tpicas de subestaes ....................................... 33

Tabela 3 - Classes de tenso usuais .......................................................................................... 36

Tabela 4 - Nveis de isolamento normalizados para a faixa 1 ................................................. 51

Tabela 5 - Nveis de isolamento normalizados para a faixa 2 ................................................. 52

Tabela 6 - Nveis de poluio e ambientes caractersticos ...................................................... 54

Tabela 7 - Nveis de poluio e distncias de escoamento mnimas ....................................... 55

Tabela 8 - Smbolos para refrigerao de transformadores ..................................................... 61

Tabela 9 - Ordem dos smbolos da refrigerao de transformadores ...................................... 62

Tabela 10Relaes nominais de transformadores de corrente ............................................. 83

Tabela 11 - Exatido para transformadores de corrente .......................................................... 83

Tabela 12 - Valores de carga nominal e designaes de transformadores de corrente para

medio [] ................................................................................................................................. 84


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XIV

Tabela 30 - Exemplo - Especificao dos transformadores de corrente AT de proteo ..... 201

Tabela 31 - Exemplo - Especificao dos transformadores de corrente AT de medio ...... 202

Tabela 32 - ExemploEspecificao dos transformadores de potencial AT de proteo .... 202

Tabela 33 - ExemploEspecificao dos transformadores de potencial AT de medio .... 203

Tabela 34 - Exemplo - Especificao dos para-raios AT ....................................................... 204

Tabela 35 - Exemplo - Especificao dos resistores de aterramento ..................................... 206

Tabela 36 - Exemplo - Especificao dos cubculos de distribuio MT .............................. 207

Tabela 37 - Exemplo - Especificao dos disjuntores MT de entrada e de barra .................. 207

Tabela 38 - Exemplo - Especificao dos disjuntores MT dos alimentadores ...................... 208

Tabela 39 - Exemplo - Especificao das chaves seccionadoras fusvel MT ........................ 209

Tabela 40 - Exemplo - Especificao dos transformadores de corrente MT de entrada e

barramento ............................................................................................................................. 210Tabela 41 - Exemplo - Especificao dos transformadores de corrente MT dos alimentadores

................................................................................................................................................ 210

Tabela 42 - Exemplo - Especificao dos transformadores de potencial MT ....................... 211

Tabela 43 - Exemplo - Especificao dos para-raios MT ...................................................... 212


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XV

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

ANSI American National Standards Institute

ATR Analisador Transitrio de Redes

C Capacitor

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contnua

CCD Charge-Couple Device

CFTV Circuito Fechado de Televiso

COS Centro de Operao do Sistema

CPFL Companhia Paulista de Fora e Luz

CS Chave Seccionadora

DJ Disjuntor

EIA Energy Information Administration


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XVI

RA Resistor de Aterramento

SAC Sistema de Ar Condicionado

SCADA Supervisory Control and Data Aquisition

SDCI Sistema de Deteco e Combate Incndio

SDI Sistema de Deteco de Incndio

SE Subestao

SEP Sistema Eltrico de PotnciaSIN Sistema Interligado Nacional

SPCS Sistema de Proteo, Controle e Supervisrio

SSA Sistema de Servios Auxiliares

TC Transformador de Corrente

TNA Transient Network Analyzer

TPC Transformador de Potencial Capacitivo

TPI Transformador de Potencial Indutivo

TR Transformador

TSA Transformador de Servios Auxiliares


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XVII

RESUMO

GONALVES, R. M. Guia de projeto para subestaes de alta tenso. 2012.

Monografia (Graduao)Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo,

So Carlos, 2012.

Devido grande complexidade que o projeto eltrico de subestaes de alta tenso pode

alcanar, poucos profissionais esto familiarizados com este processo. Busca-se com esta

monografia abordar o embasamento terico que possibilite aos profissionais projetar de forma

mais simples tais subestaes. Para tanto, so realizados estudos bsicos das caractersticas

das subestaes, bem como dos equipamentos de alta tenso usualmente utilizados. So

apresentados tambm, de maneira mais ilustrativa, equipamentos de mdia tenso, sistemas e

servios necessrios para se elaborar o projeto de subestaes prontas para energizao.

Elabora-se ento um guia de projeto apresentando os passos a serem seguidos para o seu

projeto, englobando desde o processo de deciso pela construo de uma subestao,


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XVIII


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XIX

ABSTRACT

GONALVES, R. M. Design guide of high voltage substations. 2012. Thesis

(Undergraduate) Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, So

Carlos, 2012.

Due to the great complexity of the electrical design of high voltage substations can

reach, few professionals are familiar with this process. This monograph will address the

theoretical foundation that enables professionals to design easily such substations. To this

end, basic studies of the substations characteristics are made as well as high voltage

equipment usually employed. Are also presented, in a more illustrative way, medium voltage

equipment, systems and services necessary to develop the project of substations under turn-

key regime. Its presented a design guide showing the steps to be followed for substations

project, encompassing from the decision process for the construction of a substation, through

the choice of location and configuration, to definition of the characteristics of the equipment


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XX


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21

1 INTRODUO

1.1 Sistemas Eltricos de Potncia

Os Sistemas Eltricos de Potncia (SEP) um sistema complexo que engloba os

equipamentos para a gerao, transmisso e distribuio de energia eltrica. De maneira

representativa, podemos entender este sistema como esquematizado naFigura 1.


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22

interligadas, formando uma rede complexa, no podendo definir a origem da energia que est

alimentando um determinado equipamento.

No Brasil mais de 95% do sistema est ligado em anel, excluindo algumas partes a

Regio Norte. Projetos em andamento j preveem a interligao destas partes isoladas com o

resto do sistema de potncia do Brasil, conforme mostra aFigura 2.


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Figura 3 - Gerao mundial de eletricidade por combustvel (trilhes de kWh) [3]

Para o Brasil as projees no so diferentes. De acordo com a Empresa de Pesquisa

Energtica (EPE) em estudo feito em 2011 para o Ministrio de Minas e Energia (MME),

deve ocorrer um crescimento mdio do consumo de aproximadamente 4,8% ao ano no

perodo de 2010 a 2020, tendo um crescimento de 456,5 TWh para 730,1 TWh, como


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24

Figura 4Gerao no Brasil de eletricidade por combustvel (trilhes de kWh) [5]

Portanto, observa-se neste cenrio a necessidade de expandir o SEP, no Brasil e no

mundo, a fim de se gerar, transmitir e distribuir toda a energia futuramente requerida.


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25

2 SUBESTAES DE ALTA TENSO

Uma subestao pode ser definida um conjunto de equipamentos com o propsito de

chaveamento, transformao, proteo ou regulao da tenso eltrica, podendo

eventualmente conter equipamentos para a compensao de reativos. Sua principal funo

garantir um alto grau de confiabilidade ao sistema eltrico. Para isto, as partes defeituosas ou

sob falta devem ser prontamente desligadas e o fornecimento de energia ser reestabelecido o

mais rpido possvel atravs de manobras ou comutaes.

A seguir ser apresentado um estudo das caractersticas das subestaes de alta

tenso, baseado na apostila de treinamento de subestaes da Schneider Electric.

2.1 Classificao das Subestaes


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26

2. Quanto ao nvel de tenso:

Baixa Tenso (BT)At 1 kV; Mdia Tenso (MT)De 1 kV a 69 kV; Alta Tenso (AT)De 69 kV a 230 kV; Extra-Alta Tenso (EAT)De 230 kV a 800 kV; Ultra-Alta Tenso (UAT)Acima de 800 kV.

3. Quanto ao tipo de instalao:

Ao tempo Instaladas ao ar livre, cujos equipamentos ficaro sujeitos sintempries;

Semi-abrigadaProvidas somente de uma cobertura em toda a extenso doptio de manobra;

AbrigadaInstaladas em locais abrigados, cujos equipamentos no estosujeitos a intempries.


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27

Figura 5 - Diagrama unifilar

O diagrama trifilar (Figura 6) representa o sistema eltrico pelas suas trs fases e

contm informaes alm daquelas contidas no diagrama unifilar, as quais podem ser

utilizadas em outros esquemas.


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28

Simbolicamente representam-se estes equipamentos como visto naFigura 7.

Figura 7 - Representao de disjunto e chave

A seleo da configurao dos barramentos dever levar em considerao alguns fatores

de mrito tais como confiabilidade, custo, simplicidade construtiva, flexibilidade operativa,

facilidade de manuteno e facilidade de expanso, em maior ou menor grau. Em princpio ocusto o fator preponderante na escolha da configurao, mas a flexibilidade operativa e a

confiabilidade podem muitas vezes sobrepuj-lo, dependendo da finalidade e importncia da

subestao.


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29

Figura 8 - Barra simples sem seccionamentoFigura 9 - Barra simples com seccionamento

2.2.2 Barramento Auxiliar

A adio de barramentos auxiliares associados aos barramentos principais atravs de

disjuntores permite a manuteno de quaisquer disjuntores, sem o desligamento dos circuitos

correspondentes. Geralmente utilizado em pontos da rede em que se exige continuidade no

fornecimento e em locais de grande poluio, onde a limpeza dos equipamentos necessria,

o que acarreta desligamentos frequentes. As Figuras Figura 10 e Figura 11 nos trazem


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30

2.2.3 Barramento Duplo

As principais caractersticas do barramento duplo so a diviso dos circuitos de

alimentao em dois grupos, podendo assim trabalhar com dois valores de tenso e

frequncia, ou a possibilidade de manuteno em um barramento sem o desligamento do

fornecimento de energia aos circuitos.

Geralmente utilizado em instalaes alimentadas com dois valores de tenses ou

frequncias, ou quando se deseja uma alimentao contnua, sem possibilidade de qualquer

interrupo. As Figuras Figura 12, Figura 13e Figura 14apresentam trs das configuraes

em barramento duplo mais utilizadas.


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31

2.2.4 Barramento em Anel

As subestaes com barramento em anel tem a caracterstica de um disjuntor poder sair

de operao sem interromper o fornecimento de energia nos circuitos alimentadores. Por outro

lado, os equipamentos da subestao devem ser dimensionados para aproximadamente o

dobro da corrente de curto-circuito dos circuitos de alimentao, alm de se ter o problema dapouca visibilidade da instalao, o que pode aumentar as chances de erros nas manobras da

subestao.

Esta configurao geralmente utilizada em locais com influncia norte americana, para

subestaes com at seis derivaes (Figura 15eFigura16).


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32

Figura 16 - Barramento em anel duplo

2.2.5 Comparativo entre Configuraes

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33

Tabela 2 - Comparativo entre configuraes tpicas de subestaes [6]

Configurao

Fatores de Mrito

ConfiabilidadeSimplicidadeConstrutiva

FlexibilidadeOperativa

Facilidadede

Expanso

Facilidadede

Manuteno

Fatorde

Custo

Barra simplessem

seccionamentoMuito baixa Boa No tem

Somentecom

desligamentocompleto

Boa 1,0

Barra simplescom

seccionamentoBaixa Boa Baixa

Comdesligamento

ParcialBoa > 1,0

Barra simples ede

transfernciaRegular Boa Regular

Somentecom

desligamentocompleto

Boa 1,2

Barra dupla e

detransferncia

Boa a muitoboa Regular Boa Boa Regular 1,4

Barra duplacom

paralelismo

Boa, com maisde 1 circuito /

subestaoBoa

Boa, commais de 1circuito /

subestao

Comdesligamento

ParcialBoa 1,2

Barra dupla -dois Excelente Excelente Excelente Excelente Boa 2,0

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34

Em relao transmisso de energia, o ONS apresenta requisitos mnimos para as

instalaes de acesso rede bsica e para seus componentes integrantes. No caso dosbarramentos, estabelece a configurao mnima de acordo com a classe de tenso, conforme

visto abaixo.

Barramento de 230 kVBarra dupla com disjuntor simples e quatro chaves; Barramento com tenso igual ou superior 345 kV Barra dupla com

disjuntor e meio.

Vale salientar que arranjos alternativos de barramentos podem ser utilizados, desde que

apresentem desempenho igual ou superior ao dos arranjos estabelecidos (em relao aos

fatores de mrito).

Da mesma maneira que o ONS, as concessionrias observam os fatores de mrito,

considerando as vantagens e desvantagens de cada configurao, e recomendam a mais

favorvel como base para a construo de novas subestaes sob sua concesso.

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35

3 PRINCIPAIS CARACTERSTICAS DOS EQUIPAMENTOS

Existem algumas caractersticas que so comuns maioria dos equipamentos e que so

chave para a caracterizao destes como, por exemplo, a tenso nominal, a corrente nominal,

os nveis de corrente de curto-circuito suportveis e os nveis de isolamento.

A especificao destas caractersticas dever se basear em quatro fatores principais:

experincia, estudos, normas e padronizao. Neste ponto, os estudos realizados na etapa de

detalhamento se fundamentaro principalmente no diagrama unifilar e nas condies

ambientais do local, consistindo basicamente no estudo do fluxo de potncia para a

determinao das correntes nominais, no estudo de curto-circuito para a determinao dasuportabilidade ao curto-circuito e da interruptibilidade dos disjuntores e no estudo das

sobretenses para a determinao dos nveis de isolamento.

As informaes apresentadas a seguir foram baseadas nos livros de Ary DAjuz em

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Tabela 3 - Classes de tenso usuais

Classes de Tenso (kV)

Mdia Tenso Alta Tenso Extra-Alta Tenso Ultra-Alta Tenso

7,2 15 24,2 36 72,5 145 245 300 362 420 550 800 e acima

3.1.2 Corrente Nominal

A corrente nominal definida como a corrente que atravessa o sistema quando este est

em regime normal de operao. geralmente definida para chaves seccionadoras, disjuntores,transformadores de corrente, bancos de capacitores e filtros.

A especificao das correntes nominais pode ser resumido da seguinte forma:

1 Determinar os fluxos mximos nas linhas atravs do estudo de fluxo de potncia

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37

Onde:

Potncia trifsica do transformador em VA;Corrente de linha do sistema;Tenso de linha do sistema;

Defasagem entre tenso e corrente de linha.

Reescrevendo esta frmula para outros termos teremos:

Onde:

Potncia do transformador em VA;Corrente nominal os equipamentos;

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38

No se deve confundir corrente de curto-circuito e corrente de sobrecarga. Esta ltima

ocorre em sistemas ou equipamentos sem defeito e advm de uma solicitao indevida dosistema. Geralmente no ultrapassa 50% do valor da corrente nominal.

Portanto, deve-se projetar os equipamentos da subestao para suportarem todas as

solicitaes de corrente que surgirem, sem que haja prejuzo para o funcionamento dos

mesmos, e at que os disjuntores possam atuar e desligar o trecho defeituoso do circuito.

importante considerar na especificao da corrente de curto-circuito a assimetria que

esta pode apresentar, devido componente contnua. Esta componente decai

exponencialmente, sendo a constante de tempo funo da relao X/R da rede. O valor do

pico mximo da corrente de curto-circuito assimtrica, o valor eficaz da corrente simtrica e adurao da corrente de curto-circuito tambm devem ser especificados.

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2. Determinar a relao X/R da rede e a constante de tempo da componentecontnua da corrente de curto-circuito;

3. Determinar o valor do pico mximo da corrente de curto-circuito assimtrica;4. Determinar o valor da componente contnua na separao dos contatos dos

disjuntores.

Atualmente, com o avano da computao digital, as correntes de curto-circuito socalculadas atravs de programas que utilizam tanto parmetros da subestao em questo

quanto parmetros do sistema onde a subestao inserir.

Via de regra o ONS ou a concessionria se incubem da realizao de tal estudo,

fornecendo no Parecer de Acesso informaes como corrente de curto-circuito e resistncias ereatncias da sequncia positiva, sequncia negativa e sequncia zero da rede no ponto de

acesso. indicado tambm o valor de corrente de curto-circuito mnimo que deve ser adotado

para os equipamentos da subestao.

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Sobretenses internas Tm origem dentro do circuito considerado, tendocomo principal causa as manobras de disjuntores e os curtos-circuitos.

A segunda forma, mais usual e mais adequada para a especificao dos equipamentos

feita de acordo com o tempo de durao e o grau de amortecimento das sobretenses,

classificando estas em:

Sobretenses atmosfricas So aquelas que ocorrem entre fase e terra ouentre fases, causadas por descargas atmosfricas ou por outra causa que

apresente as mesmas caractersticas da frente de onda de uma descarga

atmosfrica. Apresentam em geral grande amplitude (da ordem de 6 p.u.) e

durao muito curta (frente de onda de at 20 s), como pode ser visto naFigura18;

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apresentam amplitude de no mximo 4 p.u. e durao de frente de onda entre

100 s e 500 s, como por exemplo a mostrada naFigura 19;

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devido sua durao, podem ser determinantes na especificao do isolamento

dos equipamentos.

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Existem duas maneiras de se determinar as sobretenses em um sistema: por medies

em sistemas reais ou por anlise em algum modelo de simulao. Logicamente, quando setrabalha com o projeto de subestaes, o primeiro caso no pode ser aplicado, j que

necessrio que a subestao j esteja implantada.

Ento, de maneira geral, a determinao das caractersticas temporrias das

sobretenses pode ser determinada por mtodos analticos, porm a determinao decaractersticas transitrias advindas de no linearidades, acoplamentos, entre outros,

extremamente difcil. Portanto necessrio se encontrar outra maneira de caracterizar as

sobretenses.

Um mtodo que foi muito utilizado e que se tornou obsoleto com a evoluo dacomputao digital o Transient Network Analyzer (TNA) ou Analisador Transitrio de

Redes (ATR). O TNA um mtodo analgico composto por modelos individuais em escala

reduzida que representam os equipamentos eltricos e que so interligados conforme sistema

real. Desta forma, atravs de um computador digital acoplado a este modelo, pode-se

t l i l f i i d d d N Fi 21 d b TNA


50/245

45


51/245

Figura 22 - Exemplo de tela do EMTP [12]

3.1.4.2 Controle de sobretenses

46
http://www.cyme.com/software/emtp/


52/245

pela utilizao de hastes de proteo area ou cabos-guarda areos (Figura 23),

que interceptam descargas atmosfricas diretas, evitando que estes incidamsobre os cabos condutores das linhas de transmisso ou nos barramentos das

subestaes;

47
http://www.usp.br/agen/wp-content/uploads/imagem.jpg


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Figura 24 - Para-raios de alta tenso [14]

Resistores de pr-inseroAssociados aos disjuntores, reduzem a amplitudedas sobretenses decorrentes da energizao e religamento de linhas de

transmisso e tambm das tenses de reestabelecimento transitrias atravs dos

contatos dos disjuntores. Podem estar ainda associados a capacitores nos

terminais dos disjuntores que reduzem a taxa de crescimento da tenso de

48


54/245

o Instalar um circuito ressonante composto por resistor (R), indutor (L) ecapacitor (C). O indutor e o capacitor so sintonizados frequnciaoperativa fazendo com que o resistor no seja solicitado em condies

normais de operao. Por outro lado, na ocorrncia de uma falta, o

resistor ir amortecer as oscilaes transitrias. Entretanto, este sistema

exige o uso de grandes capacitores e indutores, o que reflete um alto

custo;

o Instalao de compensadores em derivao (shunt), que reduzem o efeitoFerranti e diminuem as sobretenses de manobra;

o Restries no chaveamento dos disjuntores.

3.1.5 Caractersticas e Nveis de Isolamento

Os isolamentos compreendem os espaamentos no ar, isolamentos slidos e imersos em

l id i l t l d l i i l t l

49


55/245

InternosIsolamentos slidos, lquidos ou gasosos de equipamentos e que noesto em contato com o ar atmosfrico e que, portanto, esto livres da influnciados fatores ambientais.

Quando classificados por suas caractersticas, dividem-se em:

RegenerativosSo aqueles em que o dieltrico tem a capacidade de regenerarintegralmente a sua rigidez dieltrica aps a ocorrncia de uma descarga

disruptiva. Podem ser ainda subdivididos em dois grupos, a saber:

o Isolamentos de equipamentos So os isolamentos que estorelacionados aos equipamentos da subestao como, por exemplo, a parte

externa de equipamentos de manobra e a parte externa das buchas dostransformadores de fora e transformadores de medio;

o Isolamentos de instalao Compreendem os isolamentos que sereferem somente instalao como, por exemplo, espaamentos de ar

entre condutores, entre condutores e estruturas, dentre outros


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51


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Tabela 4 - Nveis de isolamento normalizados para a faixa 1 [15]

Tenso Mxima doEquipamento

Tenso Suportvel Nominal Frequncia Industrial

Durante 1 Minuto

Tenso Suportvel Nominalde Impulso Atmosfrico -

NBI

kV (Valor Eficaz) kV (Valor Eficaz) kV (Valor de Crista)

7,2 204060

12 28607595

15* 34*95

110*

17,5 387595

24 5095

125145

36 70145170

200*

52


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Tabela 5 - Nveis de isolamento normalizados para a faixa 2 [16]

Tenso Mxima doEquipamento

Tenso Suportvel Nominalde Impulso de Manobra

Tenso Suportvel Nominalde Impulso Atmosfrico -

NBI

kV (Valor Eficaz) kV (Valor de Crista) kV (Valor de Crista)

300

750850

950850

9501050

362850

9501050

95010501175

420850

10501175

95011751300

420/460* 105013001425

53


59/245

necessrios ento ensaios adicionais de suportabilidade fase-fase. Ainda, os valores

assinalados por * no so constantes na norma IEC 60071-1.

3.1.6 Distncia de Escoamento

A distncia de escoamento, dada em mm/kV, a menor distncia ao longo da superfcie

de um material entre duas partes condutoras. Est intimamente ligada ao isolamento dos

equipamentos das subestaes j que, devido ao esforo que as sobretenses e outros fatores

causam nos isolamentos dos equipamentos, podem ocorrer descargas eltricas.

O problema est no fato de que fatores climticos como vento, umidade e poluio

possam reduzir as capacidades de isolamento dos isoladores, levando a descargas eltricas

indesejadas. Criou-se ento o conceito de nveis de poluio, estabelecendo uma distncia

mnima de escoamento de acordo com as condies ambientais do local de instalao da

b t A T b l 6 t i d l i d fi id ti bi t

54


60/245

Tabela 6 - Nveis de poluio e ambientes caractersticos [17]

Nvel de Poluio Ambientes Tpicos

I - Leve

- reas sem indstrias e de baixa densidade de casas comclimatizao;- reas de ventos constantes e/ou chuva;- reas agrcolas;- reas montanhosas;

- Todas as reas devem estar a mais de 10 km de distncia do mar,sem incidncia de ventos martimos.

II - Normal

-reas industriais sem fumaa poluidora partculas;- reas com grande densidade de casas e indstrias com ventosconstantes e/ou chuva;- reas expostas a ventos martimos no muito prximas da costa.

III - Pesado

- reas com grande densidade de indstrias e de casas comsistemas de climatizao poluidores;- reas relativamente prximas ao mar e expostas a ventos vindosdo oceano.


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56


62/245

57


63/245

4 EQUIPAMENTOS DE ALTA TENSO

Como o foco principal desta monografia o projeto de subestaes de alta tenso, sero

apresentados nesta seo os principais equipamentos de alta tenso que compem as

subestaes, baseando-se principalmente nas consultas a seguir apresentadas:

Livros de Ary DAjuz em conjunto com Furnas intitulados EquipamentosEltricos Especificao e aplicao em subestaes de alta tenso e

Transitrios eltricos e coordenao de isolamento Aplicao em sistemas de

potncia de alta tenso;

Livro de Antnio Carlos Cavalcanti de Carvalho intitulado Disjuntores echaves: aplicao em sistemas de potncia;

Livro de John D McDonald intitulado Electric Power SubstationsEngineering;

Monografia de Fabiano de Souza intitulada Estudo e projeto eltrico bsico de

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exemplo, dimenses, formas geomtricas e materiais), que so assuntos bastante complexos e

de responsabilidade de especialistas no assunto.

Posteriormente em outros captulos, como complementao deste assunto, sero

apresentados alguns dos equipamentos de mdia tenso, sistemas e estudos que podem

compor as subestaes.

4.1 Transformadores de Fora

Os transformadores de fora (Figura 25) ou transformadores de potncia so os

principais e geralmente os mais caros equipamentos de subestaes do tipo elevadoras ou

abaixadoras. Seu papel transformar a tenso de um sistema em outra tenso, possibilitando o

seu acoplamento.

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4.1.1 Classificao dos Transformadores de Fora

Pode-se classificar os transformadores de fora de diversas maneiras, a saber:

De acordo com o tipo construtivo do ncleo magntico:o MonofsicosSo transformadores de fora em que se usa um ncleo

magntico para cada fase do sistema;

o TrifsicosSo transformadores de fora nos quais se utiliza somenteum ncleo magntico para o acoplamento das trs fases.

De acordo com o tipo construtivo dos enrolamentos:o Convencional Os enrolamentos primrio e secundrio so isolados

eletricamente, ou seja, so formados por duas bobinas diferentes. A sua

vantagem est no isolamento eltrico entre o primrio e secundrio,

evitando que alguns efeitos prejudiciais sejam transferidos de um lado do

f d

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Figura 26 - Ligao em delta esquemtica (a) e no ncleo (b) [20]

o Ligao em Estrela (Y) Um dos terminais de cada um dos trsenrolamentos interligado e as fases so conectadas nos outros terminais

dos enrolamentos (Figura 27);

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quando no h equilbrio de cargas (reatores) ou quanto necessrio se

utilizar 2 aterramentos.

Figura 28 - Ligao Zig-Zag esquemtica (a) e no ncleo (b) [22]

De acordo com o tipo de refrigerao:Os transformadores so definidos por um grupo de quatro smbolos para cada

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NaTabela 9 apresentada a ordem como se deve apresentar os smbolos.

Tabela 9 - Ordem dos smbolos da refrigerao de transformadores [24]

Primeira Letra Segunda Letra Terceira Letra Quarta Letra

Indicativa do meio de resfriamentoem contato com os enrolamentos

Indicativa do meio de resfriamentoem contato com o sistema de

resfriamento externo

Natureza domeio de

resfriamento

Natureza dacirculao

Natureza domeio de

resfriamento

Natureza dacirculao

Por exemplo, um transformador com refrigerao ONAN/ONAF/ONAF2 tem

trs tipos de refrigerao, sendo o primeiro por leo natural e ar natural, e o

segundo e terceiro por leo natural e ar forado.

De acordo com o tipo de comutao:O comutador um dispositivo que muda a ligao das derivaes dos

l d f d i d i i d

63


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de estudos tcnicos e econmicos em relao a fatores como custo, custo das perdas,

limitaes tcnicas de produo, de transporte e de acondicionamento.

Vale citar a utilizao comum de um terceiro enrolamento em delta para a ligao de

compensadores de reativos e/ou alimentao de servios auxiliares, geralmente com um tero

da potncia dos enrolamentos principais. Ainda, para transformadores com ligao do tipo

estrela-estrela, usual a utilizao deste terceiro enrolamento em delta, a fim de evitar a sada

imediata do transformado com a falta de uma fase.

4.1.2 Impedncia Caracterstica do Transformador

A impedncia caracterstica, tambm conhecida por impedncia percentual ou tenso de

curto-circuito percentual a parte da tenso nominal que, quando aplicada ao enrolamento

primrio, capaz de fazer circular a corrente nominal no secundrio quando este est curto-

i it d M t ti t d

64


70/245

Onde:

Corrente de curto-circuito;Corrente nominal do secundrio;Impedncia caracterstica do transformador. um fator importante tambm quando se considera paralelismo de transformadores. Os

transformadores que estiverem em paralelo devem possuir a mesma impedncia caracterstica.

Caso contrrio, devido s diferenas de tenses entre os secundrios dos transformadores,

surgir uma corrente de circulao, que far com que a potncia total fornecida pelo

paralelismo dos transformadores no seja igual soma das potncias individuais de cada

transformador.

4.1.3 Acessrios dos Transformadores de Fora

65


71/245

4.2 Reatores em Derivao

Os reatores em derivao (Figura 29) so equipamentos utilizados para controlar as

tenses no barramento em regime permanente e para a reduo da sobretenso nos surtos de

manobra. Ainda, so usados para a compensao de reativos e reduo de correntes de curto-

circuito. Para se alcanar tais funes, a relao tenso x corrente dos reatores deve ser linear

at um determinado valor de tenso, em geral 150% da tenso do sistema. Isto se faz atravs

da utilizao de reatores com ncleo de ar ou com ncleo de ferro e entreferro, sendo estes

ltimos os mais utilizados, devido ao menor volume ocupado pelo reator.


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67


73/245

colunas, ou, em casos especiais, com trs colunas. Quando no houver a

necessidade da igualdade, o reator trifsico pode ser construdo com 3

colunas do ncleo formando um tringulo equiltero. Geralmente os

reatores de tercirio so trifsicos em estrela no aterrada.

De acordo com o material do ncleo:o Ncleo de ArO material construtivo do ncleo o ar atmosfrico;o Ncleo de FerroO material construtivo do ncleo o ferro. o tipo

mais usado, pois leva a equipamentos mais compactos e com menores

perdas.

De acordo com a localizao:Os reatores em derivao podem estar localizados em diversos pontos do

sistema.

o Reatores de linhaInstalados junto linha de transmisso;o Reatores de barraInstalados junto aos barramentos da subestao;

R d i i I l d j l i i d

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74/245

especificado e interromper corrente sob condies anormais de operao, como, por exemplo,

as de curto-circuito.

69


75/245

da corrente, certa energia continuar sendo gasta para aquecer o condutor, mas no ser

necessria energia para o campo magntico. Essa energia do campo magntico armazenada

na forma de energia potencial, e ser devolvida ao sistema com a dissipao entre os contatos

do disjuntor em forma de arco eltrico.

O arco eltrico consiste de um plasma eletricamente condutor que permite corrente

fluir entre os contatos abertos do disjuntor, evitando assim que o campo magntico decaia

com extrema rapidez. Como se sabe:

Onde:

Tenso o circuito ;Indutncia do circuito;i d d d

70


76/245

no desaparece instantaneamente e, se houver uma temperatura alta o suficiente, o arco pode

reacender.

4.3.2 Tipos de Disjuntores

Os primeiros disjuntores a serem usados utilizavam a tcnica de interrupo ao ar livre.

Ao longo do tempo, com crescimento das potncias de interrupo e os nveis de tenso dos

sistemas eltricos, surgiram disjuntores com outras tecnologias como o disjuntor a leo,

hexafluoreto de enxofre (SF6), dentre outros.

Os disjuntores de alta tenso, quando classificados de acordo com as tcnicas de

interrupo, so divididos em:

Disjuntores a ar comprimidoNos disjuntores a ar comprimido a extino do f it t d i j d i id i t t t

71


77/245

at 230 kV, apesar de estarem tecnicamente ultrapassados. Estes disjuntores

podem ser subdivididos em:

o Grande volume de leo So compostos basicamente de um grandetanque metlico, ao potencial da terra, no qual so imersos os

mecanismos de extino do arco, sendo que cada polo concentrado em

uma unidade individual;

o Pequeno volume de leoComo uma evoluo das cmaras individuaisdos polos dos disjuntores a grande volume de leo, desenvolveu-se os

disjuntores a pequeno volume de leo. Sua vantagem est no fato de

utilizar menor volume de leo, possuir uma manuteno bem mais

simples e prtica e apresentar alta confiabilidade. Por outro lado, no est

bem adaptado a sistemas de extra-alta tenso.

Disjuntores a SF6Devido s suas propriedades, o hexafluoreto de enxofre(SF6) um gs muito utilizado para a extino do arco em disjuntores. Ele no

explosivo, estvel, inerte, no txico e no corrosivo, alm de possuir excelentes

t ti d i l f i t d t lt i S

72


78/245

prximo ao do disjuntor ideal. Ainda, no existe desgaste dos contatos como nos

outros tipos. Em contrapartida, devido a questes de custo, este tipo de disjuntor

no utilizado comercialmente.

Pode-se ainda classificar os disjuntores quanto ao mecanismo de acionamento, sendo

eles:

Acionamento por solenoideNeste tipo de acionamento uma bobina solenoide utilizada para acionar os contatos na operao de fechamento e tambm para

carregar a mola de abertura. pouco utilizado devido a pouca energia que

capaz de prover aos sistemas de abertura;

Acionamento a mola Para este tipo, a energia necessria ao fechamento armazenada em uma mola. A mola carregada atravs de motores de corrente

contnua ou corrente alternada. So utilizados em disjuntores de alta e extra-alta

tenso;

73


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4.3.3 Acessrios dos Disjuntores

Os principais acessrios utilizados na composio do disjuntor so o resistor de pr-

insero, os capacitores de equalizao de tenses e o sincronizador de manobras.

Os resistores de pr-insero reduzem a amplitude das sobretenses decorrentes da

energizao e religamento de linhas de transmisso e tambm das tenses de

reestabelecimento transitrias atravs dos contatos dos disjuntores. Podem estar ainda

associados a capacitores nos terminais dos disjuntores que reduzem a taxa de crescimento da

tenso de reestabelecimento transitria.

Os capacitores de equalizao de tenso so utilizados em disjuntores de alta e extra-

alta tenso constitudos por duas ou mais cmaras de interrupo a fim de garantir uma

distribuio uniforme da tenso total entre as cmaras.

O i i d d b tili d ti i i t t d d

74


80/245

chocam com os tomos do dieltrico entorno do eletrodo, provocando a liberao de novos

eltrons, num processo chamado de Avalanche de Townsend. Este efeito ocorre em

superfcies pontudas ou irregulares, onde ocorre uma concentrao de campo eltrico, grande

o suficiente para ionizar o meio isolante no qual a superfcie est imersa, tornado o meio

condutivo.

Este efeito trs alguns problemas ao sistema como a gerao de rudos audveis e de

radiofrequncia, perda de energia, danificao de isolamentos, como tambm a produo de

oznio, sendo necessrio reduzir a sua ocorrncia.

Para evitar este efeito so instalados anis metlicos no entorno dos contatos das chaves

de alta a ultra-alta tenso, a fim de se homogeneizar o campo eltrico heterogneo e

concentrado no seu entorno, causado pela prpria forma construtiva das chaves (contatos,

parafusos, soldas), conforme mostrado naFigura 32.

75
http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/high-voltage-outdoor-switch-disconnector-724265.jpg


81/245

4.4.1 Classificao das Chaves

As chaves podem ser classificadas de acordo com diversos fatores. Quando classificadas

de acordo com a funo que desempenham dentro da subestao, so divididas em:

Chaves seccionadoras So utilizadas para contornar (by-pass) ou isolarequipamentos das subestaes, como disjuntores, capacitores srie, dentre

outros, a fim de se realizar a manuteno destes equipamentos. Ainda, so

utilizadas para se realizar as manobras de transferncia entre barramentos de

uma subestao (principal, secundrio, transferncia, dentre outros);

Chaves de terraSo utilizadas para aterrar os equipamentos do sistema queesto em manuteno, ou para aterrar linhas de transmisso, barramentos, ou

bancos de capacitores em derivao;

76


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Acionamento motorizadoO acionamento motorizado pode ser feito atravsde motores eltricos, acionadores hidrulicos, pneumticos ou outros tipos de

acionamento.

4.4.2 Tipos Construtivos das Chaves

Existem diversos tipos construtivos para a abertura e o fechamento das chaves, sendo

eles:

Chave de abertura lateral; Chave de abertura vertical; Chave de abertura vertical reversa; Chave de abertura dupla lateral; Chave de abertura central;

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78


84/245

4.4.3 Acessrios das Chaves

Existem inmeros acessrios para as chaves. A escolha destes deve ser feita em relao

funo e caractersticas da chave no sistema. Entre os acessrios podemos citar:

Lmina de terra; Motorizao para o acionamento das lminas da chave; Dispositivos de intertravamento entre as lminas principais e as lminas de terra; Indicadores de posio das lminas; Dispositivos de extino de arco eltrico; Contatos de sacrifcio; Anis redutores de Efeito Corona.

4.5 Transformadores de Corrente

79


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Figura 34 - Transformadores de corrente [29]

A funo primria dos transformadores de instrumentao definida na norma ABNT

NBR 6546:1991 como sendo o transformador que alimenta instrumentos de medio,

80

T f d d i d di


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Transformadores de corrente para servio de medio; Transformadores de corrente para servio de proteo.

Os transformadores de corrente para servio de proteo pode ser subdivididos, de

acordo com a norma ABNT NBR 6546:1991, em:

Classe APossuem alta impedncia interna, ou seja, a reatncia de disperso doenrolamento secundrio possui valor considervel;

Classe BPossui baixa impedncia interna, ou seja, a reatncia de disperso doenrolamento secundrio possui valor desprezvel.

4.5.2 Tipos Construtivos dos Transformadores de Corrente

Existem diversas formas construtivas dos ncleos dos transformadores de corrente, a

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Figura 36 - Transformador de corrente do tipo barra

Tipo janela No apresenta enrolamento primrio prprio. O ncleo possuiuma abertura para a passagem do condutor do circuito primrio (Figura 37);

Figura 37 - Transformador de corrente do tipo janela

Tipo bucha Transformador de corrente semelhante ao tipo janela, masprojetado para ser instalado sobre a bucha de um equipamento eltrico (Figura

82


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Figura 39 - Transformador de corrente do tipo ncleo dividido

Tipo com vrios enrolamentos primrios Possui vrios enrolamentosprimrios separados e isolados entre si;

Tipo com vrios ncleos Possui vrios enrolamentos secundrios separados eisolados entre si, montados cada um sobre um ncleo diferente, porm com um

enrolamento primrio em comum.

4.5.3 Correntes Nominais e Relaes Nominais dos Transformadores de Corrente

83

Tabela 10 Relaes nominais de transformadores de corrente [30]


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Tabela 10 Relaes nominais de transformadores de corrente [30]

CorrentePrimriaNominal (A)

RelaoNominal


RelaoNominal


RelaoNominal

5 1:1 100 20:1 1000 200:1

10 2:1 150 30:1 1200 240:1

15 3:1 200 40:1 1500 300:120 4:1 250 50:1 2000 400:1

25 5:1 300 60:1 2500 500:130 6:1 400 80:1 3000 600:140 8:1 500 100:1 4000 800:150 10:1 600 120:1 5000 1000:160 12:1 800 160:1 6000 1200:175 15:1 8000 1600:1

4.5.4 Classes de Exatido dos Transformadores de Corrente

84

Para os transformadores de corrente para medio utiliza-se o conceito de carga


90/245

Para os transformadores de corrente para medio utiliza se o conceito de carga

nominal. Segundo a ABNT as cargas nominais so designadas pelo smbolo C seguido do

nmero de volt-ampres correspondente corrente secundria nominal. Pode-se observar seus

valores naTabela 12.

Tabela 12 - Valores de carga nominal e designaes de transformadores de corrente para medio [32]

Designao Resistncia

IndutncianH

PotnciaAparenteVA

Fator dePotncia

Impedncia

ANSI ABNT

B-0,1 C2,5 0,09 0,116 2,5 0,90 0,1

B-0,2 C5,0 0,18 0,232 5,0 0,90 0,2B-0,5 C12,5 0,45 0,580 12,5 0,90 0,5B-1 C25 0,50 2,3 25 0,50 1,0

B-2 C50 1,0 4,6 50 0,50 2,0B-4 C100 2,0 9,2 100 0,50 4,0B-8 C200 4,0 18,4 200 0,50 8,0

Assim, no caso de um transformador de corrente de medio, para a especificao da

85

Tabela 13 Classes e designaes de transformadores de corrente para proteo [33]


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Tabela 13 Classes e designaes de transformadores de corrente para proteo [33]

Caractersticas Nominais Designao

ImpednciaSecundria

Interna

PotnciaAparente

VA

TensoSecundria

VANSI ABNT

Alta (A)

2,5 10 T10 A10

5,0 20 T20 A20

12,5 50 T50 A5025 100 T100 A10020 200 T200 A200

100 400 T400 A400200 800 T800 A800

Baixa (B)

2,5 10 C10 B10

5,0 20 C20 B2012,5 50 C50 B5025 100 C100 B10020 200 C200 B200

100 400 C400 B400200 800 C800 B800

86


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Figura 40 - Transformador de potencial indutivo [34]

A principal funo dos transformadores de potencial a de isolar o circuito de alta

tenso do circuito de baixa tenso, e reproduzir os efeitos transitrios e regime permanente do

circuito de alta tenso o mais fielmente possvel no circuito de baixa tenso.

87

4.6.2 Tipos Construtivos dos Transformadores de Potencial


93/245

p

Existem basicamente dois tipos construtivos de transformadores de potencial:

Transformador de potencial indutivoSo semelhantes a um transformadorde fora, porm conectados a pequenas cargas;

Transformador de potencial capacitivo So constitudos basicamente decapacitores, cujas funes so de divisor de tenso capacitivo e de acoplar a

comunicao via carrier (PLC) ao sistema de potncia, associados a uma

estrutura de um transformador de potencial indutivo.

Existem ainda os divisores capacitivos, divisores resistivos e divisores mistos, que no

so usados em sistemas de potncia, sendo utilizados em circuitos de ensaio e testes de

laboratrio.

P 69 kV h d i i d d f d d i l

88

Tabela 14 - Relaes nominais para transformadores de potencial [35]


94/245

Ligao entre fases Ligao entre fase e terra

TensoPrimria

Nominal (V)

RelaoNominal

TensoPrimriaNominal

(V)

Relao Nominal

Tenso Secundria Nominal (V)

115/3 115/3 115

115 1:1 - - - -

230 2:1 - - - -

402,5 3,5:1 - - - -460 4:1 - - - -2.300 20:1 2.300/3 36:1 20:1 12:13.450 30:1 3.450/3 52,5:1 30:1 17,5:14.025 35:1 4.025/3 60:1 35:1 20:14.600 40:1 4.600/3 72:1 40:1 24:16.900 60:1 6.900/3 105:1 60:1 35:1

8.050 70:1 8.050/3 120:1 70:1 40:111.500 100:1 11.500/3 180:1 100:1 60:113.800 120:1 13.800/3 210:1 120:1 70:123.000 200:1 23.000/3 360:1 200:1 120:134.500 300:1 34.500/3 525:1 300:1 175:146 000 400 1 46 000/3 720 1 400 1 240 1

89

Tabela 15 - Exatido para transformadores de potencial


95/245

Transformador de Potencial

Norma Proteo e Medio

ANSI 0,3 - 0,6 - 1,2

No caso de um transformador de potencial, para a especificao da classe de exatido

indica-se a exatido seguida do smbolo de maior carga nominal com a qual se verifica esta

exatido (indicado pelo smbolo P pela norma ABNT). Pode-se observar os valores das

cargas nominais naTabela 16.

Tabela 16 - Valores de carga nominal e designaes de transformadores de potencial [36]

DesignaoABNT Resistncia IndutnciamH

Potncia

AparenteVA

Cos Impedncia

P12,5 115,2 3042 12,5 0,10 1152

P25 403,2 1092 25 0,70 576P35 82,2 1095 35 0,20 411P75 163 2 268 75 0 85 192

90


96/245

Figura 41 - Para-raios Siemens[37]

A sua principal funo a de proteger os equipamentos contra descargas que entram nasubestao atravs das linhas de transmisso e tambm proteger contra parte das falhas da

blindagem contra descargas diretas (cabos para-raios). Isto feito limitando-se a tenso a um

valor conhecido, evitando que tenses superiores cheguem aos equipamentos protegidos.

Como uma funo adicional, os para-raios podem proteger o sistema contra surtos de

91

4.7.1 Classificao dos Para-raios


97/245

Existem duas maneiras principais para se classificar os para-raios:

Quanto sua funcionalidade A funcionalidade est relacionada com alocalizao do para-raios na subestao.

o De estaoEnglobam todos as classes de tenso, em especial as acimade 138 kV;

o Intermedirio (ou subtransmisso) Englobam principalmente ospara-raios com classe de tenso entre 138 kV e 35 kV, normalmente

utilizadas para a subtransmisso;

o De distribuioEnglobam as classes de tenso abaixo de 35 kV, maisutilizados para a distribuio.

Quanto ao material do isolamentoComercialmente utilizam-se trs tipos dei l i

92

Tabela 17 - Valores de tenso nominal de para-raios


98/245

Faixa de TensoNominal

kV Eficaz

Degraus deTenso

Nominal

3 12 1

12 54 3

54 108 6108 288 12288 396 18396 756 24

A escolha da tenso nominal do para-raios depender da tenso de operao contnua do

para-raios e tambm do tipo de aterramento do sistema.

A mxima tenso de operao contnua do para-raios (), tambm conhecida comoMCOV (Maximum Continuous Operating Voltage), a mxima tenso eficaz permissvel

frequncia industrial que pode ser aplicada continuamente aos terminais dos para raios

93

seu valor 10% acima da tenso fase-fase do sistema, aproximado para o valor superior mais


99/245

prximo de acordo com aTabela 17.

Para os dois casos citados anteriormente, como regra, assume-se que a tenso nominal

do para-raios deva ser pelo menos 125% da tenso de operao contnua do para-raios. Desta

forma:

Onde:

Tenso nominal do para-raios;Mxima tenso de operao contnua.Aproxima-se o valor de para o valor superior mais prximo dado na Tabela 17,encontrando-se o valor final da tenso nominal do para-raios.Por exemplo, considerando que estamos trabalhando em um sistema com tenso

i l d 138 kV

94

tipo estao e de 10 kA e 5 kA para para-raios tipo distribuio. A escolha da corrente feita


100/245

geralmente de acordo com a tenso nominal do para-raios, da seguinte maneira:

Corrente de descarga nominal de 5 kATenso nominal do para-raios de 3 a39 kV eficaz;

Corrente de descarga nominal de 10 kATenso nominal do para-raios de 3a 360 kV eficaz;

Corrente de descarga nominal de 20 kATenso nominal do para-raios de276 a 612 kV eficaz.

4.8 Bobinas de Bloqueio

As bobinas de bloqueio (Figura 42)so equipamentos utilizados quando se adota para a

subestao um sistema de teleproteo do tipo OPLAT (Ondas Portadoras sobre Linha de Alta

95

4.8.1 Caractersticas Construtivas das Bobinas de Bloqueio


101/245

As bobinas de bloqueio so constitudas de um enrolamento principal, envolto em um

ncleo geralmente de ar, de um dispositivo de sintonia, um dispositivo de proteo (para-

raios), dos terminais para a conexo da linha de transmisso e dos cabos da subestao.

Podem conter um pedestal, a fim de ser instalados sobre um isolador de pedestal ou sobre um

transformador de corrente capacitivo, ou ainda conter isoladores na parte superior, para ainstalao em modo suspenso. Podemos observar as bobinas, de modo esquemtico, na Figura

43.

96

A avaliao das bobinas de bloqueio envolve a comparao da impedncia da bobina de


102/245

bloqueio em uma determinada frequncia com a impedncia do sistema vista do local de

instalao da mesma. Dependendo das normas utilizadas, utiliza-se o valor de impedncia da

linha entre 300 e 600. Usualmente utiliza-se o valor de 400 para acoplamentos fase-

terra e 600 para acoplamento fase-fase.

Os parmetros utilizados para se medir a eficincia da bobina de bloqueio so a perda

de insero ( ) e a atenuao de bloqueio ( ), expressos em decibis ou nepers.Matematicamente temos: |

|

| | Onde:

97


103/245

Onde:

Resistncia mnima de bloqueio;Impedncia mnima de bloqueio;Limite superior da faixa;Limite inferior da faixa;

Frequncia de ressonncia;

Fator determinado pelaTabela 18.

98


104/245

Onde:

Resistncia mnima de bloqueio;Impedncia mnima de bloqueio;Limite superior da faixa;Limite inferior da faixa;

Frequncia de ressonncia;

Fator determinado pelaTabela 18.4.9 Bancos de Capacitores em Derivao

99

4.9.1 Unidades Capacitivas e Bancos de Capacitores


105/245

As unidades capacitivas, tambm chamadas de latas ou clulas capacitivas, so uma

associao srie e/ou paralelo de capacitores individuais. Os capacitores possuem

internamente resistores de descarga projetados para garantir a extino da tenso da unidade

aps alguns minutos (entre 5 e 10 min). Podemos ver o esquema de uma unidade capacitiva

naFigura 44.

100


106/245

Figura 45 - Banco de capacitores [42]

A proteo dos capacitores feita atravs de um elo fusvel ligado s unidades

capacitivas, de modo que ele se rompa durante um curto-circuito interno, isolando a unidade

capacitiva defeituosa o mais rpido possvel, evitando assim que outras unidades capacitivas

sejam atingidas. Este elo fusvel pode ser interno (Figura 47)ou externo (fuseless) (Figura

46), variando de acordo com o projeto.

101


107/245

Figura 46Unidade capacitiva com fusvelexterno [43]

Figura 47Unidade capacitiva com fusvelinterno [44]

O elo fusvel interno indicado para grandes potncias pois um elemento defeituoso

102

4.9.2 Esquema de Ligao dos Bancos de Capacitores em Derivao


108/245

Existem trs tipos de ligao que normalmente so utilizadas para bancos de capacitores

em derivao:

Ligao em estrela aterrada ou dupla estrela aterrada As principaisvantagens desta configurao (Figura 48)so:

o So autoprotegidos contra surtos atmosfricos, no sendo necessrio ouso de para-raios adicionais;

o Podem ser usados em sistemas com grandes quantidades de harmnicosdevido ao caminho de baixa impedncia para correntes de altas

frequncias;o A tenso de reestabelecimentos dos disjuntores relativamente baixa;

Por outro lado, este tipo de ligao apresenta certas desvantagens, como:

A t i t f i i it d i

103

o No provocam interferncia nos circuitos de comunicao;o No h uma preocupao to grande para a proteo do secundrio dos


109/245

o No h uma preocupao to grande para a proteo do secundrio dostransformadores de corrente quanto nas ligaes em estrela aterrada oudupla estrela aterrada.

Como desvantagens deste tipo de ligao pode-se citar:

1. O neutro do banco dever ser isolado para a tenso de fase, o que podeser muito dispendioso para tenses mais altas;

2. A tenso transitria de reestabelecimento dos equipamentos de manobrada subestao deve ser vista com uma ateno especial.


110/245

105

A capacidade nominal das unidades capacitivas dever ser, preferencialmente, ade maior tenso e de maior potncia;


111/245

de maior tenso e de maior potncia;

A potncia do banco dever ter desvio mximo de 5% do total planejado; A tenso nominal do banco de capacitores dever ser igual ou maior tenso

mxima prevista de operao do banco;

A sobretenso causada pela falha em uma unidade capacitiva no poder sersuperior a 10%.

NaTabela 19 apresentado um formulrio para bancos de capacitores em derivao em

Alta Tenso e Extra-Alta Tenso, com fusvel externo, para o clculo das tenses nas

unidades aps a ocorrncia de defeitos, onde:

Nmero de grupos em srie;Nmero de unidades em paralelo por grupo;Nmero de unidades excludas de um grupo;Tenso nominal fase-terra do banco;

106

Com base nestas equaes possvel fazer o caminho inverso para encontrar os valores

X e M das quantidades de capacitores srie e paralelo do banco de capacitores em derivao.


112/245

q p p p

Por exemplo, considere que, aps um clculo de dimensionamento de um banco decapacitores chegamos s seguintes premissas:

Trabalha-se em um sistema com tenso nominal de 345 kV; A potncia do banco de capacitores deve ser de 160 MVAr; A tenso nominal deve ser maior que a tenso ; , fornecida pelos setores de planejamento; A potncia total do banco deve ter desvio mximo de 5%; O tipo de ligao dupla estrela aterrada; A sobretenso mxima devido falha de uma unidade (N=1) de 10% (

);Inicialmente tem-se:


113/245

108

Aumento da capacidade de transmisso de potncia da linha de transmisso; Aumento da estabilidade do sistema;


114/245

;

Diminuio da queda de tenso ao longo da linha de transmisso; Melhor equilbrio de potncia entre as linhas, reduzindo as perdas globais do

sistema;

Reduo nos custos quando comparado a outras alternativas.

109

4.10.1 Principais Componentes dos Bancos de Capacitores Srie


115/245

O banco de capacitores srie constitudo de trs bancos monofsicos. Cada banco pode

ser dividido em seus componentes principais, a saber:

CapacitoresSo como descritos no item4.9.1;

Dispositivos limitadores de tensoO limitador de tenso pode ser um gap ouum resistor a xido de zinco. Os gaps podem ser divididos em no auto-

extinguveis (no possuem mecanismos de extino do arco, sendo necessrio

um equipamento para o desvio da corrente, por exemplo um disjuntor) e auto-

extinguveis (possuem mecanismo de extino de arco e, por esta razo, somais complexos);

Disjuntores de derivao Estes disjuntores desempenham uma funo

110

Coluna de comunicaesPara o envio dos sinais de corrente para os relslocalizados na casa de comando da subestao utiliza-se uma coluna de


116/245

comunicao. Os sinais geralmente so enviados por fibras pticas, mas anecessidade de se ter equipamentos eletrnicos e optrnicos sobre a plataforma

energizada leva os projetistas a utilizar um sistema puramente magntico,

utilizando um transformador de corrente modificado, que leva diretamente para

o solo as correntes secundrias do transformador de corrente;

Plataforma A plataforma isolada geralmente feita em ao galvanizado edimensionada para a colocao dos equipamentos e trnsito de pessoas para a

realizao da manuteno;

Seccionadoras As seccionadores tem a funo de isolar o banco decapacitores para a realizao da manuteno;

Reator de descargaO reator de descarga, quando utilizado, instalado em

111


117/245

Figura 52 - Banco de capacitores em srie tipo gap simples

Caso o banco de capacitores no apresente o resistor R e o disjuntor D2, aps

ocorrer um defeito na rede, o gapG1 dispara e curto-circuita o capacitor C to

logo o nvel de tenso atinja o seu ajuste. Aps o disparo, o disjuntor D1

fechado, permitindo a passagem de corrente e resfriando o gap. Por fim, apsalgum tempo da eliminao do defeito o disjuntor aberto, reestabelecendo o

capacitor operao.

Caso o resistor R e o disjuntor D2 estejam presentes aps o disparo do gap os

112


118/245

Figura 53 - Banco de capacitores em srie tipo gap duplo

O funcionamento deste tipo construtivo bem simples. O gapG2 (com ajuste

20% inferior ao gap G1) dispara, curto-circuitando o capacitor. Aps a

eliminao da falta o disjuntor D2 abre, reinserindo o capacitor C com o gapG1

em sua plena capacidade , protegendo o banco contra sobretenses de reinsero.

Tipo com limitador a xido de zincoO esquema para este tipo construtivo mostrado naFigura 54.

113

5 EQUIPAMENTOS DE MDIA TENSO


119/245

Em subestaes de distribuio de energia, e principalmente nas industriais, utilizam-se

equipamentos de mdia tenso associados ao secundrio do transformador de fora, para

realizar a distribuio, manobra, controle e proteo da energia fornecida ao consumidor.

Esta seo ir mostrar, em um carter mais superficial, alguns dos equipamentosutilizados nas subestaes de mdia tenso e as suas diferenas para os equipamentos de alta

tenso, baseando seu contedo principalmente em catlogos de diversas empresas como

Eletele, Schake Siemens.

5.1 Corrente de Curto-Circuito

114

Corrente de curto-circuito;Impedncia percentual do transformador.


120/245

5.2 Diferenas entre Equipamentos de Alta Tenso e Mdia Tenso

Nem todos os equipamentos que so utilizados na alta tenso so aplicveis na mdiatenso. o caso das bobinas de bloqueio, de alguns tipos de disjuntores e alguns tipos de

chaves seccionadoras.

O contrrio tambm verdadeiro. Alguns equipamentos utilizados em mdia tenso no

so aplicveis na alta tenso. Dentre estes podemos citar alguns tipos de disjuntores, osreligadores, as chaves seccionadoras fusveis, os cubculos blindados de mdia tenso e os

resistores de aterramento.

115


121/245

Figura 55 - Disjuntor de mdia tenso [47] Figura 56 - Disjuntor compacto de mdia tenso[48]

Estes ltimos, quando instalados em cubculos de distribuio de mdia tenso isolados

a ar e se associados a certos mecanismos, podem ser removidos dos cubculos, permitindo

assim maior facilidade na manuteno ou troca do disjuntor.

116

5.2.2 Religadores


122/245

Os religadores (Figura 57) so equipamentos semelhantes aos disjuntores, porm,

adicionalmente s caractersticas destes, os religadores so fornecidos com os circuitos de

proteo e controle completos e integrados, para a instalao em postes ao longo de redes de

distribuio. Por este motivo os religadores so regidos por normas diferentes dos disjuntores,

como a norma ABNT NBR 8177:1983 (atualmente cancelada sem substituio).


123/245

118

Estes equipamentos so ento instalados ao tempo, sobre bases de concreto (como no

caso dos disjuntores), ou ainda instalados ancorados em postes devido ao seu tamanho


124/245

reduzido (tambm chamada de distribuio area), sendo esta ltima mais utilizada fora doptio de subestaes (por exemplo na distribuio de energia aos consumidores residenciais).

Outro mtodo, muito utilizado em subestaes de distribuio de instalaes industriais

a utilizao de cubculos blindados de mdia tenso (Figura 59). Estes cubculos so painis

aterrados construdos com chapas metlicas, no qual se instalaro tanto os equipamentos demdia tenso como os sistemas de proteo e controle referentes a estes equipamentos.

119

Operacionalmente e construtivamente, os cubculos que utilizam um ou outro meio de

isolao so bem semelhantes, sendo que os isolados a SF6possuem as mesmas vantagens


125/245

dimensionais apresentadas no disjuntor.

Por outro lado, no quesito manuteno, cada um possui vantagens e desvantagens. Os

cubculos isolados a SF6so conhecidos por apresentar pouca ou nenhuma manuteno, sendo

que em casos extremos, como na ocorrncia de danos por ocorrncia de faltas, a manuteno

se torna mais complicada e dispendiosa.

Os cubculos isolados a ar, por outro lado, apresentam maior necessidade de

manuteno, possibilitando tambm uma maior facilidade da mesma. Tambm, h a

possibilidade de instalao de disjuntores extraveis, ou seja, disjuntores que podem ser

removidos dos cubculos com o auxlio de carros especiais, para a manuteno.

Em geral, os cubculos de mdia tenso tanto isolados a ar quanto isolados a SF6 so

compostos de 4 compartimentos:

120


126/245

121

3Isolador tipo bucha;

4Transformador de corrente;


127/245

5Transformador de potencial;6Conexo de cabos;

7Chave de aterramento;

8Conexo de baixa tenso;

9Unidade de comando do disjuntor;

10Cmara de interrupo;11Sistemas de contato;

12 Sistema de operao e intertravamento para movimentao do disjuntor extravel

(para cubculos isolados a ar).

5.2.4.2 Invlucro Metlico Aterrado

O i l tli t d l t d i t d it d

122

As tabelasTabela20, Tabela21,Tabela 22eTabela 23,baseadas na norma ABNT NBR

IEC 60529:2005, nos trazem o nmero ou letras utilizadas para cada elemento e o seu


128/245

significado.Tabela 20 - Primeiro elemento do cdigo IP

Elemento Numero Significado

W

0 No protegido

1 50 mm de dimetro2 12,5 mm de dimetro3 2,5 mm de dimetro4 1 mm de dimetro5 Protegido contra poeira6 Totalmente protegido contra poeira

Tabela 21 - Segundo elemento do cdigo IP

Elemento Numero Significado

0 No protegido

1 Gotejamento vertical2 Gotejamento (inclinao 15)

123


129/245

5.2.5

Resistores de Aterramento

Os resistores de aterramento so equipamentos instalados no neutro do secundrio dos

transformadores de potncia ou neutro dos geradores, a fim de limitar as correntes de falta

fase-terra, evitando assim que estas correntes danifiquem os outros equipamentos dasubestao. Devem, porm, permitir uma amplitude de corrente suficientemente alta para que

os transformadores de instrumentao excitem os rels de proteo, acionando o sistema de

proteo e controle e desligando assim o sistema.

124

Os custos de manuteno so praticamente iguais aos do sistema solidamenteaterrado (neutro aterrado);


130/245

Reduzem as sobretenses devido ressonncia LC e curto-circuitosintermitentes.

Os resistores de aterramento so dimensionados para conduzir correntes por tempo

limitado (5, 10, 30 ou 60 segundos), absorvendo a energia durante o tempo de circulao da

corrente, e dissipando em forma de calor. Os valores comerciais mais utilizados de correntenominal para resistores de aterramento so de 100 A, 200 A e 400 A.

125

6 EQUIPAMENTOS AUXILIARES


131/245

Alm dos equipamentos utilizados para a conduo, transformao, manobra e

monitoramento da energia, comum o uso de equipamentos auxiliares, que executaro

funes secundrias, mas que so essenciais para o perfeito funcionamento da subestao.

Em geral estas funes envolvem o fornecimento de corrente alternada ou contnua emregime normal de funcionamento ou em momentos de falta de energia no sistema, para

operao e manuteno de algumas das funes essenciais da subestao. Estes equipamentos

so de grande importncia para a confiabilidade do sistema.

Dentre estes equipamentos podemos citar os transformadores, painis de distribuio,bancos de baterias, bancos de inversores e retificadores e outros equipamentos de suporte.

126

6.1.1 Servios Auxiliares em Corrente Alternada


132/245

Os Servios Auxiliares em Corrente Alternada so responsveis por suprir energia s

cargas de corrente alternada, como motores, iluminao, tomadas, conversores CA/CC. O

projeto deste sistema difcil de ser padronizado, j que depende do nmero e potncia das

cargas, do nmero e potncia das fontes, dos nveis de tenso, dentre outros fatores.

Em alguns casos so utilizados sistemas de transferncia automtica das fontes, a fim de

se melhorar a disponibilidade de energia e aumentar a confiabilidade do sistema. Vale

salientar que estes sistemas podem representar uma adio de custos considervel, sendo que

a sua aplicao deve ser analisada cuidadosamente.

Em geral so empregados sistemas com tenso de 127/220 Vca e/ou 220/380 Vca.

6 1 2 S i A ili C t C t

127

6.2 Bancos de Baterias


133/245

Os bancos de baterias (Figura 62) so os acumuladores de energia utilizados nas

subestaes. Os bancos so formados por clulas de baterias ligadas em srie/paralelo de

modo a se alcanar as tenses e capacidades de corrente necessrias aos bancos de baterias.

Os tipos de baterias mais utilizadas so as chumbo-cidas seladas ou ventiladas, as de

nquel-cdmio e as de on-ltio. Pode-se utilizar ainda as baterias tipo alcalinas, porm estas

esto saindo de uso devido ao seu baixo desempenho em relao aos outros tipos de baterias.

128


134/245

Onde:

Capacidade do banco de baterias (Ah);Corrente contnua que o banco fornece (A);

Tempo que o banco de baterias mantm a tenso acima da tenso final de descarga

(h).

Para se especificar os bancos de baterias, e consequentemente os bancos de

retificadores, deve-se levar em conta as tenses, os requisitos de corrente, a durao de

operao e a frequncia de uso.

As cargas dos bancos de baterias consistem em cargas contnuas e cargas temporrias.

As cargas contnuas envolvem lmpadas, rels, motores e quaisquer outros equipamentos que

necessitem serem alimentadas continuamente pelos bancos. Estas cargas, em geral envolvem

d b d b i d 3 10 h C i i d il i d

129


135/245

Figura 63 - Exemplo de curva de descarga de baterias [55]

Para o processo de especificao dos bancos de baterias necessrio se elaborar um

perfil de descargas, representando todos os consumos em ampres e os respectivos intervalos

de tempo. A capacidade em ampre-hora do banco ir ento ser dimensionada para a maior

requisio de corrente dentre as exigncias de descarga.

O dimensionamento dos bancos de baterias feito atravs da equao:

130


136/245

As curvas para o fator de capacidade so dadas pelo fornecedor das baterias e

relacionam o valor do fator , o tempo de descarga e a tenso final de descarga. AFigura 64nos mostra um exemplo de curvas de Kt.

131

Nmero de clulas de baterias; Corrente de recarga da bateria, com valores aproximados de parab t i l li b t i h b id


137/245

baterias alcalinas e para baterias chumbo-cidas;Capacidade total do banco de baterias (Ah).6.3 Bancos de Retificadores

Os retificadores de corrente (Figura 65)so responsveis pelo carregamento das baterias

e so dimensionados para manter as baterias em regime de flutuao e para fo

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