Equipamentos Elétricos.pdf

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Captulo 22Equipamentos Eltricos

1. OBJETIVO

Este captulo tem por objetivo apresentar os principais equipamentos

eltricos dando nfase as suas funes dentro dos sistemas eltricos. O co-

nhecimento bsico destas funes e de uma breve introduo sobre as su-

bestaes so conhecimentos essenciais para o entendimento da anlise dos

sistemas eltricos de potncia.

2. INTRODUO

Uma subestao um conjunto de equipamentos usados para controlar,

modificar, comandar, distribuir e direcionar o fluxo de energia eltrica em um

sistema eltrico. Elas tem uma ou mais das seguintes funes:

manobra, permitindo conectar e desconectar equipamentos eltricos,

transformao, permitindo elevar ou baixar a tenso quando for mais

conveniente para a operao do sistema eltrico,

seccionamento, permitindo limitar os comprimentos dos trechos de li-

nhas de transmisso e cabos,

distribuio, permitindo a subdiviso do fluxo de potncia para aten-

der a diversos alimentadores.

Quanto ao nvel de tenso de alimentao, as subestaes se classifi-

cam em:

Baixa tenso: at 1 KV;

Mdia tenso: entre 1 KV e 66 KV;

Alta tenso: entre 69 KV e 230 KV;

Captulo 2 - Equipamentos Eltricos

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Extra alta tenso entre 231 KV e 800 KV;

Ultra alta tenso acima de 800 KV.

As tenses empregadas no Brasil para transmisso, subtransmisso e

distribuio so 13.8 KV, 34.5 KV, 69 KV, 88 KV, 138 KV, 230 KV, 345 KV, 440

KV, 500 KV e 765 KV. Na regio Nordeste, as tenses empregadas para distri-

buio secundria so 380V entre fases e 220V entre fase e neutro e para

distribuio primria, 13,8 KV.

De acordo com o posicionamento e a funo dentro de um sistema el-

trico as subestaes podem ser classificadas em:

Subestaes de Transmisso,

Subestaes de Subtransmisso,

Subestaes de Distribuio,

Subestaes de Consumidor.

A Figura 1 apresenta a vista lateral de um setor de 230 KV de uma su-

bestao de transmisso.

Figura 1 - Vista lateral do setor de 230 KV de uma subestao ao tempo

3. NVEL DE TENSO

Os sistemas eltricos so caracterizados por trs valores de tenso, a

nominal, a mxima e a mnima. A tenso nominal de um sistema aquela que

caracteriza o sistema eltrico e as tenses mxima e mnima de um sistema

so, respectivamente, o maior e o menor valor de tenso que podem ocorrer


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em condies normais de operao, em qualquer tempo e em qualquer ponto

do sistema, excludas as condies transitrias e anormais.

O nvel de tenso em que alimentado um dado sistema eltrico resi-

dencial, comercial ou industrial no Brasil funo da potncia instalada e da

demanda deste sistema, devendo seguir a Portaria ANEEL 466 de 12/11/97 e

as normas de fornecimento de energia eltrica da concessionria responsvel

pela alimentao do sistema eltrico.

A portaria ANEEL 466 agrupa os consumidores em dois grupos. No gru-

po B (baixa tenso) esto aqueles consumidores que tm carga instalada

igual ou inferior a 50 kW, enquanto no grupo A (alta tenso) esto aqueles

consumidores que devem ser alimentados em tenso primria de distribuio

ou tenso de transmisso.

No caso do Nordeste do Brasil, consumidores de demanda entre 50 kW

e 2500 kW devem ser alimentados em 13,8 kV, acima de 2500 kW em 69 kV

ou maior tenso de acordo com disponibilidade da concessionria local.

A portaria ANEEL 466 estabelece ainda que a concessionria de ener-

gia local classifique ainda os consumidores nas seguintes classes, que esto

sujeitas a tarifas diferenciadas:

Residencial

Industrial

Comercial, servios e outras atividades

Rural

Poder Pblico

Iluminao Pblica

Servio Pblico (trao eltrica, gua, saneamento e

esgoto)

Consumo Prprio

Para os consumidores do grupo B no estado de Pernambuco, a norma

CELPE NE005/96 para fornecimento de energia eltrica para consumidores

em tenso secundria de distribuio, estabelece os valores de tenso e o tipo

de fornecimento, que esto reproduzidos na tabela I.


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Tabela 1 - Fornecimento de energia em tenso secundria de distribuioIT

EM

TIPO DE

FORNECI-

MENTO

Nmero

de fios e

tenso

Carga InstaladaEquipamentos que no

podem ser ligados

Motor monofsico com potnciasuperior a 3 CVMquina de solda e transforma-dor com potncia superior a 3KVA

1 Monofsico

2 fios /fase eneutro220V

CI 15 KW

Aparelhos de Raio X com potn-cia superior a 3 KVAMotor monofsico com potnciasuperior a 3 CVMquina de solda e transforma-dor com potncia superior a 3KVA

2 Bifsico

3 fios /duas fa-ses eneutro

220/380V

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A concessionria de energia eltrica responsvel pelo fornecimento e

instalao de materiais at o ponto de entrega de energia usualmente locali-

zado na parte superior do poste do consumidor.

A Figura 2 apresenta a alimentao de um consumidor residencial mo-

nofsico, onde pode ser visto a indicao do ponto de entrega.

Figura 2 - Alimentao de um consumidor residencial monofsico

Denomina-se ramal de servio ou ramal de ligao o trecho compreen-

dido entre a rede de distribuio e o ponto de entrega. Ele pode ser areo,

subterrneo ou misto. Este ramal deve ser construdo pelo consumidor, no

deve cortar terrenos de terceiros e no ter construo sob o ramal. Denomina-

se ramal de entrada o conjunto de componentes eltricos entre o ponto de en-

trega e a medio ( Figura 2). O afastamento do ramal de ligao em relao

ao solo deve satisfazer as distncias mnimas de segurana em relao a pas-

sagem de pedestres e ou veculos dependendo do caso.


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4. SUBESTAES DE CONSUMIDOR

As subestaes de consumidor so responsveis pelo transformao,

comando e distribuio do fluxo de energia dos sistemas eltricos residenciais

comerciais e industriais de mdio e grande porte.

As subestaes de consumidor so divididas em compartimentos deno-

minados de cubculos, postos ou cabines. Os postos ou cabines mais usual-

mente encontrados em subestaes de consumidor so os postos de medio,

proteo e transformao.

O cubculo ou posto de medio deve vir sempre antes do posto de

proteo. O fornecimento e a instalao dos equipamentos de medio de

responsabilidade da concessionria. A caixa de medio ou quadro de distri-

buio, eletrodutos, sistema de aterramento, condutores e dispositivos de

proteo e seccionamento so de fornecimento do consumidor.

Quanto a forma de instalao, as subestaes de consumidor esto

classificadas em:

1. Subestaes ao tempo

2. Subestaes abrigadas Em alvenaria

Metlica

O posto de transformao pode ser instalado ao tempo, blindado ou

abrigado. A instalao se d em poste singelo para potncias at 150 kVA e

em plataforma at 225 kVA. A instalao no solo pode acontecer para qual-

quer potncia de transformador.

5. EQUIPAMENTOS ELTRICOS

Define-se equipamento eltrico como sendo uma unidade funcional

completa e distinta, que exerce uma ou mais funes eltricas relacionadas

com gerao, transmisso, distribuio ou utilizao de energia eltrica.

Os equipamentos eltricos encontrados nos sistemas eltricos podem

ser classificados em quatro grupos: equipamentos principais, equipamentos de


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manobra, equipamentos de MPCC (medio, proteo, comando e controle),

equipamentos de utilizao de energia.

Os equipamentos principais so aqueles que atuam diretamente no flu-

xo de potncia modificando-o. Nestes equipamentos se enquadram os gerado-

res, os transformadores de potncia, os reatores de derivao, os bancos ca-

pacitores, os compensadores sncronos, estticos e os capacitores srie.

Um sistema eltrico de corrente alternada opera em cada um de seus

trechos com a tenso mais conveniente, tanto do ponto de vista tcnico

quanto econmico. Esta enorme flexibilidade obtida atravs dos transforma-

dores, equipamentos estticos, de alta eficincia e grande confiabilidade. Eles

podem ter a funo de elevar as tenses de gerao para as tenses de

transmisso (denominados trafos elevadores), podem ter a funo de interligar

partes do sistema de transmisso (denominados trafos de interligao) e fi-

nalmente podem ter a funo de abaixar as tenses de transmisso para as

tenses de subtransmisso e de distribuio (denominados trafos abaixado-

res).

Os transformadores de potncia se classificam quanto ao meio refrige-

rante externo em:

transformadores seco;

transformadores lquido isolante:

transformadores leo mineral isolante;

transformadores lquido isolante sinttico;

Os transformadores leo mineral so os que tem menor custo por KVA

e so os mais usualmente empregados principalmente para alta e extra alta

tenso.

O leo mineral um derivado do petrleo, que deve ter suas caracters-

ticas eltricas acompanhadas periodicamente. Ele em elevadas temperaturas,

combustvel e inflamvel, exigindo para a sua utilizao cuidados especiais

em relao a segurana, tais como tanques de drenagem de leo e paredes


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com revestimento especial. A Figura 3 apresenta um transformador de potn-

cia leo mineral.

Figura 3 - Transformador leo mineral

Em instalaes especiais onde os perigos de incndio so iminentes ou

em instalaes onde manutenes preventivas devem ser minimizadas, como

plataformas de petrleo, aeroportos, hospitais, refinarias... os transformadores

leo no devem ser especificados. Para estas aplicaes devem ser empre-

gados transformadores seco ou transformadores lquido isolante sinttico.

Os lquidos isolantes sintticos mais empregados so base de silicone e os

transformadores seco mais empregados atualmente so os moldados em

resina epoxi.

Os transformadores seco possuem enrolamentos em alumnio e ma-

nuteno bastante reduzida. Com uma reduo gradual de custo, os transfor-

madores seco vem disputando mercado at mesmo com transformadores

leo.

A Figura 4 apresenta um transformador seco com enrolamentos en-

capsulados em resina epoxi e enrolamentos de alta e baixa tenso em cobre.


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Figura 4 - Transformador seco

Os bancos capacitores so utilizados com a funo de melhorar a re-

gulao de tenso compensando o baixo fator de potncia das cargas, elevan-

do a tenso nos seus terminais, reduzindo assim as perdas na transmisso e o

custo do sistema.

Figura 5 - Capacitores monofsicos


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Os reatores shunt so empregados nos sistemas eltricos para reduzir

os nveis de tenso, controlando as tenses em regime permanente e para

reduo de sobretenses nos surtos de manobra. Para atender a estas fun-

es a caracterstica tenso corrente destes reatores deve ser linear at um

determinado valor usualmente 150%, isto obtido empregando reatores de

ncleo de ar ou com ncleo de ferro e entreferros.

Os equipamentos de manobra so responsveis em abrir, fechar e isolar

circuitos, equipamentos eltricos e componentes. So eles os disjuntores, cha-

ves, elos removveis e fusveis.

Os disjuntores so dispositivos de manobra capazes de estabelecer,

conduzir e interromper circuitos com tenso e corrente sob condies normais

de operao, bem como sob condies especificadas tais como curto-circuito.

O disjuntor um equipamento cujo funcionamento apresenta aspectos

bastante singulares. Opera, continuamente, sob tenso e corrente de carga

muitas vezes em ambientes muito severos, no que diz respeito temperatura,

umidade, poeira, etc. Em geral, aps tanto tempo nestas condies, s ve-

zes at anos, solicitado a operar por conta de um defeito no sistema. Nesse

instante, todo o seu mecanismo, inerte at ento, deve operar com todas as

suas funes, realizando tarefas tecnicamente difceis, em questo de dcimos

de segundo.

A operao de qualquer disjuntor se d separando-se seus respectivos

contatos, que permitem, quando fechado, a continuidade eltrica do circuito.

Durante a separao devido a energia armazenada no circuito forma-se um

arco eltrico. O arco eltrico uma coluna de gs numa temperatura bastante

elevada, altamente ionizada que conduz a corrente eltrica. O processo de

abertura do disjuntor exige a extino do arco. O princpio bsico para a extin-

o do arco provocar o seu alongamento de forma a reduzir a temperatura e

substituir o meio ionizado entre os contatos por um meio isolante.

Para que o disjuntor exera a ao de abertura dos contatos, o coman-

do pode ser feito manualmente pelo operador ou atravs dos rels, que de-

tectam faltas nos sistemas eltricos.


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No estado ligado ou fechado o disjuntor deve suportar a corrente nomi-

nal da linha sem que venha a aquecer alm dos limites permissveis. No esta-

do desligado ou aberto a distncia de isolamento entre os contatos deve su-

portar a tenso de operao, bem como sobretenses internas devido a surtos

de manobra e descargas atmosfricas.

Os tipos construtivos dos disjuntores dependem dos meios que utilizam

para extino do arco e podem ser classificados de acordo com o meio de in-

terrupo:

disjuntores ar na presso atmosfrica; ar comprimido;

disjuntores leo a pequeno volume de leo (PVO); a grande volume de leo (GVO);

disjuntores SF6 ;

disjuntores vcuo.

A Figura 6 apresenta um disjuntor de 230 KV em hexafluoreto de enxo-

fre (SF6).

Figura 6 - Disjuntor em SF6 de 230 kV

As chaves podem desempenhar diversas funes; a mais comum nas

subestaes seccionamento de circuitos por necessidade operativa ou por


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necessidade de isolar componentes do sistema para a manuteno. Elas po-

dem ser classificadas em:

chaves seccionadoras - so chaves que permitem isolar componentes ou

circuitos apenas com tenso porm sem corrente;

lminas de terra - so chaves empregadas para aterrar componentes ou

circuitos com tenso porm sem corrente;

chaves de abertura em carga - so chaves que permitem isolar componen-

tes ou circuitos com corrente prximas a nominal;

chaves de aterramento rpido - so chaves empregadas para aterrar rapi-

damente um componente ou trecho de uma rede submetida uma falta;

chaves fusveis - so chaves constitudas de trs hastes isolantes, normal-

mente de resina epoxi ou de fenolite montadas em paralelo com trs cartu-

chos fusveis, quando atua um elemento fusvel o mecanismo articulado faz

com que o comando de abertura seja simultneo nas trs fases.

A Figura 7 apresenta uma chave seccionadora de 230 KV de abertura

vertical com a lmina de terra acoplada.

Figura 7 - Chave seccionadora


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Os equipamentos de medio, proteo, comando e controle tem por fi-

nalidade atuar de forma a comandar, controlar e supervisionar todos os demais

equipamentos dos sistemas eltricos. So eles os pra-raios, transformadores

de corrente e de potencial, rels, ampermetros, voltmetros...

Os pra-raios so os equipamentos responsveis pela proteo dos

equipamentos eltricos e instalaes contra sobretenses de manobra e so-

bretenses originadas por descargas atmosfricas.

Ao pra-raios so colocados em paralelo com os equipamentos a serem

protegidos, em caso de uma sobretenso que possa causar danos, ele deve

atuar drenando para o aterramento os surtos.

Existem dois tipos de pra-raios:

pra-raios convencionais ou de carbureto de silcio;

pra-raios de xido de zinco .

A Figura 8 apresenta um pra-raios convencional de 138 KV com quatro

sees de carbureto de silcio.

Figura 8 - Pra-raios convencional - 138KV


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Normalmente, em sistemas acima de 600V, as medies de tenso e

corrente so feitas atravs dos transformadores de instrumentos. Estes equi-

pamentos tem as seguintes funes: isolar o circuito de baixa tenso (secun-

drio) do circuito de alta-tenso (primrio) e reproduzir os efeitos transitrios e

de regime permanente aplicados ao circuito de alta-tenso o mais fielmente

possvel no circuito de baixa tenso. Os transformadores de corrente tem seu

enrolamento primrio ligado em srie com o circuito de alta tenso. Os TCs se

classificam de acordo com sua funo em dois tipos: os de medio e os de

proteo. A Figura 9 mostra um transformador de corrente para medio em

230 KV.

Figura 9 - Transformador de corrente para medio em 230 KV

Os transformadores de potencial tem seu enrolamento primrio usual-

mente conectado entre fase e terra e tem por finalidade reproduzir as tenses

da circuito de alta tenso. Em alguns casos os TPs tambm so adotados

como fonte de potncia necessria ao funcionamento de circuitos de comando

e controle dos demais componentes dos sistemas eltricos. Da mesma forma

que os TCs, os TPs se classificam quantoa sua funo em TPs de proteo e


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de medio. Os TPs de medio tem menores classes de exatido garantindo

valores mais precisos.

O custo dos transformadores de potencial est diretamente ligada a ten-

so do enrolamento de alta tenso, da a razo de serem empregados em ex-

tra, ultra e alta tenso os transformadores de potencial capacitivos.

Um TP capacitivo na verdade um divisor capacitivo com um transfor-

mador de potencial conectado num trecho inferior do divisor como pode ser

visualizado na Figura 10.

Figura 10 - Transformador de potencial capacitivo

Na Figura 11 apresentada uma comparao do custo entre um trans-

formador de potencial capacitivo e indutivo. Observa-se que a partir de 245 kV

o preo de TP indutivo torna-se bem superior ao capacitivo. Uma outra razo

para se utilizar transformadores de potencial capacitivo num dado sistema el-

trico a utilizao do power line carrier (PLC). Neste tipo de comunicao

um sinal de alta freqncia emitido no prprio condutor, a utilizao do TP

capacitivo facilita a filtragem e o recebimento deste sinal.


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Figura 11 - Custo do TPI x TPC

De modo a evitar que os equipamentos discutidos anteriormente operem

em condies anormais, como por exemplo correntes de curto circuito, existem

pequenos dispositivos que supervisionam continuamente todas as grandezas

do sistema denominados rels. A aplicao e os ajustes destes rels para uma

atuao correta impedindo maiores danos ao sistema eltrico, faz parte de

uma rea da engenharia eltrica denominada de proteo dos sistemas eltri-

cos.

A proteo dos sistemas eltricos tem duas funes:

promover a rpida eliminao da falha, retirando do servi-

o um equipamento com problemas,

promover a indicao da localizao e do tipo do defeito,

visando uma reparao mais rpida.

Existem rels para supervisionar corrente, tenso, potncia e ainda

grandezas inerentes aos prprios equipamentos como temperatura de enrola-

mento de transformadores, velocidade de mquinas eltricas... Os rels ao

determinarem uma perturbao que venha a comprometer um dado equipa-

mento, enviam um sinal eltrico que comanda abertura de um disjuntor ou de

disjuntores de modo a que o trecho do sistema eltrico afetado seja isolado do

resto do sistema.


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5. DIAGRAMAS ELTRICOS

Os sistemas eltricos so projetados, construdos, analisados e opera-

dos com o auxlio de diagramas eltricos.

Os diagramas eltricos se dividem em dois tipos: explicativos e constru-

tivos. Os diagramas explicativos so aqueles cujos componentes so repre-

sentados por smbolos grficos e tem a finalidade de permitir a visualizao e

o entendimento de um dado sistema eltrico. Estes diagramas no apresentam

dimenses nem distncias exatas entre os diversos equipamentos envolvidos.

Os diagramas explicativos esto divididos em trs tipos:

explicativos

Os diagramas unifilares so diagramas explicativos que se caracterizam

pela sua simplicidade. Nestes diagramas os sistemas eltricos so represen-

tados por apenas uma de suas fases e cada componente representado na

posio desenergizado por um smbolo padronizado. Estes diagramas devem

conter obrigatoriamente os equipamentos eltricos principais, sendo os demais

componentes representados ou no.

Para o escopo deste curso destacaremos apenas os diagramas eltricos

unifilares. Estes diagramas so diagramas explicativos e se caracterizam pela

sua simplicidade. Nestes diagramas os sistemas eltricos so representados

por apenas uma de suas fases e cada componente representado na posio

desenergizado por um smbolo padronizado.

Os diagramas unifilares so essenciais quando se precisa ter uma visu-

alizao geral de um dado sistema eltrico e apresentam como desvantagem

no permitirem identificar facilmente a conexo dos enrolamentos entre fases e

entre fase e neutro.

Na figura 12 esto apresentados os principais smbolos adotados no

curso e a figura 13 mostra um exemplo de diagrama unifilar de um sistema

eltrico.

unifilares

multifilares

funcionais


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Os diagramas construtivos so diagramas utilizados para apresentar a

disposio dos equipamentos dentro de uma instalao, dimenses em escala

dos equipamentos, vistas plantas e cortes dos sistemas eltricos. Eles mos-

tram como os sistemas eltricos esto instalados fisicamente. Os diagramas

construtivos esto tambm divididos em trs tipos:

construtivos

vistas

cortes

plantas

Figura 12 Simbologia adotada neste texto

Figura 13 - Exemplo de diagrama unifilar para um sistema eltrico


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6. BIBLIOGRAFIA

[1] Caminha, A. - Proteo de Sistemas Eltricos

[2] Robba, E. J. Introduo a Sistemas de Potncia

[3] Stevenson, W. D. Elementos de Analise de Sistemas de Potncia

[4] Fitzgerald, A. E. - Mquinas Eltricas

[5] Elgerd, Olle Introduo Teoria de Sistemas de Energia Eltrica

[6] Turelli, A. Voltage Transformer

Documents

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