subestação coletanea marcela

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  • Universidade Federal de Gois - UFG Escola de Engenharia Eltrica e de Computao Especializao em Instalaes Eltricas Prediais

    Coletnea Sobre Dimensionamento de Componentes de uma Subestao e Estudo de Caso

    IGOR LOPES MOTA

    Goinia 2010

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    IGOR LOPES MOTA

    Coletnea Sobre Dimensionamento de Componentes de uma Subestao e Estudo de Caso

    Monografia apresentada escola de Engenharia Eltrica e de Computao da Universidade Federal de Gois para o preenchimento dos requisitos de obteno do ttulo de Especialista em Instalaes Eltricas Prediais.

    rea de concentrao: Sistema de Energia Eltrica Orientador: Prof. Dr. Euler Bueno dos Santos

    Goinia 2010

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    SO PERMITIDAS A REPRODUO E A DIVULGAO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO,

    PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

    MOTA, I. L., Coletnea Sobre Dimensionamento de Componentes de uma Subestao e Estudo de Caso. Monografia de Final de Curso de Especializao Escola de Engenharia Eltrica e de Computao, Universidade Federal de Gois, 2009.

    Palavras Chave: Subestao Consumidora, Projeto de Subestao, Proteo de Subestao, Custos de Subestao

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    IGOR LOPES MOTA

    Coletnea Sobre Dimensionamento de Componentes de uma Subestao e Estudo de Caso

    Monografia apresentada escola de Engenharia Eltrica e de Computao da Universidade Federal de Gois para o preenchimento dos requisitos de obteno do ttulo de especialista em Instalaes Eltricas Prediais, aprovada em _____ de _____ de _____, pela Banca Examinadora constituda pelos seguintes professores:

    ________________________________________________

    Prof. Dr. Euler Bueno dos Santos - Orientador Escola de Engenharia Eltrica e de Computao

    Universidade Federal de Gois

    ________________________________________________

    Prof. Dr. Antnio Csar Baleeiro Alves Escola de Engenharia Eltrica e de Computao

    Universidade Federal de Gois

    ________________________________________________

    Prof. Dr. Srgio Granato de Arajo Escola de Engenharia Eltrica e de Computao

    Universidade Federal de Gois

    ________________________________________________

    Prof. Dr. Enes Gonalves Marra Escola de Engenharia Eltrica e de Computao

    Universidade Federal de Gois

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    Dedico este trabalho aos meus pais, Hugo e Meire, pelo amor e dedicao de todos os dias, s minhas irms Ludmila e Rassa e minha namorada Mariana, grandes mulheres que me deram fora e incentivo moral e minha querida Vozinha Ovdia pelo imenso amor. Pessoas fundamentais na minha vida que sempre estiveram ao meu lado.

    Igor Lopes Mota

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    AGRADECIMENTOS

    Ao Prof. Dr. Engenheiro Eletricista Euler Bueno dos Santos pela sua orientao e constante preocupao em busca do conhecimento e desenvolvimento da Engenharia Eltrica no Estado de Gois.

    Ao Engenheiro Eletricista Klnyo Lcio da Silva pelo aprendizado, por ter aberto as portas para o grande universo da prestao de servios de engenharia e pelos investimentos em minha carreira. Agradeo-o ainda pela importante contribuio com o emprstimo da licena do software ETAP verso 7.1.0 para que as simulaes pudessem ser realizadas.

    A todos os professores e funcionrios que trabalharam para a realizao do curso de Especializao em Instalaes Eltricas Prediais.

    E a todos aqueles que de forma direta ou indireta contriburam para que pudesse chegar aos resultados obtidos.

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    RESUMO

    A energia eltrica gerada nas usinas hidreltricas ou termoeltricas controlada atravs de um conjunto de equipamentos de proteo, controle e seccionamento que juntos caracterizam uma subestao de energia, de forma a garantir confiabilidade, segurana e um nvel de qualidade satisfatrio. Para atender a todos estes requisitos, vrios critrios e normas devem ser seguidos levando-se em conta a necessidade de cada instalao e o custo de implantao do sistema. De toda forma, uma subestao sempre passa pelo campo da necessidade do cliente, pelas caractersticas fsicas destinadas ao seu fim, pela sua localizao em relao aos demais prdios da edificao, pela segurana dos equipamentos instalados e, principalmente, pela segurana dos seus operadores. O correto dimensionamento fsico do abrigo ou da estrutura de sustentao da subestao, o correto clculo de corrente de curto-circuito da instalao e uma proteo eltrica bem coordenada e eficiente garantem um bom nvel de segurana de uma subestao, seja ela de mdia ou alta tenso. Nesta monografia ser desenvolvido um estudo bsico sobre subestaes de mdia tenso para cargas de at 5,0 MVA.

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    ABSTRACT

    The electricity generated in hydroelectric and thermoelectric plants are controlled by a set of protective equipment, control and switching that together characterize a power substation to ensure the reliability, security and a satisfactory level of quality in the system. To meet all these requirements, criteria and standards should be followed taking into account the need for each installation and the cost of deploying the system. In every way, a substation where the field is the need of the client, the physical characteristics for their purpose, by its location in relation to other buildings of the building for safety equipment and, especially, for the safety of their operators. The correct sizing of the physical structure of the shelter or

    support of the substation, the correct calculation of current short-circuit protection of electrical installation and a well coordinated and efficiently provide a good level of safety of a substation, it is the medium or high voltage. This monograph will develop a basic study on medium voltage for the substation loads of up to 5.0 MVA.

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    LISTA DE FIGURAS

    Figura 1.1 - Participao dos estados na gerao de energia eltrica (ANEEL, 2009) ......................... 19 Figura 1.2 Sistema simplificado de GTD de energia eltrica ............................................................. 20 Figura 3.1 - Componentes genricos de uma entrada de energia .......................................................... 28 Figura 3.2 - Subestao abrigada em alvenaria cubculos de medio, proteo e transformao .... 32 Figura 3.3 Subestao blindada em cubculo metlico (Beghim, 2009) ............................................ 33 Figura 3.4 - Subestao ao tempo de 112,5 kVA instalada em poste ................................................... 35 Figura 3.5 - Subestao ao tempo de 300 kVA instalada em postes em estrutura H ............................ 35 Figura 3.6 - Localizao da subestao em relao edificao (MAMEDE, 2007) ........................... 37 Figura 4.1 - Chave fusvel MT para distribuio instalao externa (Balestro, 2009) ....................... 39 Figura 4.2 - Chave seccionadora com abertura sem carga (Beghim, 2009) .......................................... 40 Figura 4.3 - Chave seccionadora com abertura sob carga sem base fusvel (Beghim, 2009) ............... 41 Figura 4.4 - Chave seccionadora com abertura sob carga com base fusvel (Beghim, 2009) ............... 41 Figura 4.5 - Fusvel de MT limitador de corrente HH (Dreyffus, 2009) ............................................... 43 Figura 4.6 - Curva tempo-corrente fusvel HH de Mdia Tenso (Dreyffus, 2009) ............................. 43 Figura 4.7 - Elos fusveis modelos H, K, T, EF e olhal (Delmar, 2009) ............................................... 46 Figura 4.8 - Disjuntor de MT com extino a PVO (Beghim, 2009) .................................................... 49 Figura 4.9 - Disjuntor de MT com extino a vcuo com manobra lateral (Beghim, 2009) ................. 49 Figura 4.10 - Disjuntor de MT com extino a vcuo com manobra frontal (Beghim, 2009) .............. 50 Figura 4.12 - Pra-Raios de distribuio de MT (Balestro, 2009) ........................................................ 52 Figura 4.13 - Transformador de corrente MT (Seedel, 2009) ............................................................... 53 Figura 4.14 - Transformador de potencial MT (Seedel, 2009).............................................................. 53 Figura 4.15 Esquema de ligao das bobinas em tringulo................................................................ 55 Figura 4.16 Esquema de ligao das bobinas em estrela.................................................................... 56 Figura 4.17 - Transformador de potncia com leo isolante (Comtrafo, 2009) .................................... 57 Figura 4.18 - Transformador de potncia com isolante a seco (Comtrafo, 2009) ................................. 58 Figura 5.1 - Proteo de sobrecorrentes TC e Rels .......................................................................... 67 Figura 5.2 Curvas tempo-corrente de disjuntor de baixa tenso (O Setor Eltrico, 2009) ................. 73 Figura 5.3 - Curvas tpicas IEC NI, MI, EI, TD - simulado no ETAP 7.1.0 ......................................... 75 Figura 5.4 - Princpio da seletividade .................................................................................................... 77 Figura 5.5 - Seletividade fusvel x fusvel - simulado no ETAP 7.1.0 .................................................. 79 Figura 5.6 - Seletividade rel x fusvel - simulado no ETAP 7.1.0 ....................................................... 80 Figura 5.7 - Seletividade rel x rel simulado no ETAP 7.1.0 ........................................................... 81

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    Figura 5.8 - Proteo de transformador pontos ANSI e INRUSH - simulado no ETAP 7.1.0 .......... 84 Figura 5.9 - Detalhe da instalao correta de cabos blindados em TC .................................................. 89 Figura 6.1 - Curva de Comportamento da Tenso e Corrente do Pra-Raio (Fonte: TARGET) .......... 95 Figura 6.2 - Malha de aterramento configurao para subestaes.................................................... 99 Figura 7.1 - Trajetria de circulao de ar refrigerante ....................................................................... 105 Figura 7.2 - Temperatura interna em relao temperatura externa ................................................... 106 Figura 7.3 - Espaamentos Mnimos Para Instalaes Internas (TARGET, 2005). ............................ 110 Figura 7.4 - Dimenses de abertura de obstculos (TARGET, 2005). ................................................ 114 Figura 7.5 - Dimenses do obstculo (TARGET, 2005) ..................................................................... 115 Figura 9.1 - Diagrama unifilar............................................................................................................. 125 Figura 9.2 - Coordenadograma fase e neutro - simulado no ETAP 7.1.0 ........................................... 130

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    LISTA DE TABELAS

    Tabela 1.1 - Capacidade de gerao do Brasil (ANEEL, 2009) ............................................... 16 Tabela 1.2 - Empreendimentos em construo no Brasil (ANEEL, 2009) .............................. 17 Tabela 1.3 - Empreendimentos autorizados para construo no Brasil (ANEEL, 2009) ......... 17 Tabela 1.4 - Capacidade de gerao do estado de Gois (ANEEL, 2009) ............................... 18 Tabela 1.5 - Empreendimentos em construo em Gois (ANEEL, 2009) .............................. 18 Tabela 1.6 - Empreendimentos autorizados para construo em Gois (ANEEL, 2009) ........ 18 Tabela 4.1 - Corrente de fuso para os elos fusveis tipo K (NBR 5359) ................................ 44 Tabela 4.2 - Corrente de fuso para os elos fusveis tipo T (NBR 5359) ................................. 45 Tabela 4.3 - Corrente de fuso para os elos fusveis tipo H (NBR 5359) ................................ 45 Tabela 5.1 Corrente e tempo de atuao e no atuao ......................................................... 73 Tabela 5.3 ndices das curvas tempo-corrente da norma ANSI C37.90................................ 76 Tabela 5.4 ndice K de condutor (NBR 14039) .................................................................... 88 Tabela 5.5 Energia liberada em arcos eltricos e seus danos (Eletropaulo, 1975) ................ 90 Tabela 5.6 Relao corrente de arco e de curto franca (Kaufmann, 1975) ........................... 91 Tabela 6.1 Dados para a especificao de pra-raios (NTD05/CELG) ................................. 95 Tabela 7.1 Espaamentos mnimos para instalaes internas (NBR 14039) ...................... 111 Tabela 7.2 Espaamentos mnimos para instalaes externas (NBR 14039) ...................... 112 Tabela 7.3 Distncias mnimas x tenso nominal (NBR 14039) ......................................... 112 Tabela 9.1 Nveis de curto-circuito 3 e 1 ........................................................................ 125 Tabela 9.2 Dados do transformador .................................................................................... 126 Tabela 9.3 Resumo da parametrizao do rel .................................................................... 129

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    LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

    A Ampre ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica ANSI American National Standards Institute Art. Artigo

    AT Alta Tenso

    BT Baixa Tenso

    CGH Central Geradora Hidreltrica CGU Central Geradora Undi-Eltrica CH SEC Chave Seccionadora DPS Dispositivo de Proteo Contra Surtos DJ Disjuntor EOL Central Geradora Eolieltrica GTD Gerao, Transmisso e Distribuio Hz Hertz

    IEC International Electrotechnical Commission

    kA Kilo- Ampre (1000 x Ampre) kVA Kilo-Volt Ampre

    kW Kilo-Watt

    MT Mdia Tenso MVA Mega- Volt- Ampre (1.000.000 x Volt- Ampre) MVAr Mega Volt- Ampre Reativo(1.000.000xVolt- Ampre Reativos) MW Mega-Watts (1.000.000 x Watts) NTD Norma Tcnica de Distribuio PCH Pequena Central Hidreltrica pu por unidade PVO Pequeno Volume de leo QGBT Quadro Geral de Baixa Tenso RTC Relao de Transformao de Corrente

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    RTP Relao de Transformao de Potencial SE Subestao SEL Sistema Eltrico

    SiC Carboneto de Silcio SOL Central Geradora Solar Fotovoltaica SPSC Sistema de Proteo contra Sobrecorrentes SPST Sistema de Proteo contra Sobretenses TC Transformador de Corrente TP Transformador de Potencial UHE Usina Hidreltrica de Energia UTE Usina Termeltrica de Energia UTN Usina Termonuclear

    V Volts

    VA Volt-Ampre

    VAr Volt- Ampre Reativo

    W Watts

    ZnO xido de Zinco Ohm

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    SUMRIO

    RESUMO ................................................................................................................................... 7 ABSTRACT ............................................................................................................................... 8

    LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ 9 LISTA DE TABELAS ............................................................................................................. 11

    LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .............................................................................. 12 SUMRIO ................................................................................................................................ 14 1. Introduo ...................................................................................................................... 16 2. Estudo da carga .............................................................................................................. 23

    2.1. Demanda................................................................................................................. 23 2.2. Enquadramento Tarifrio ....................................................................................... 24

    3. Escolha do Tipo da Subestao ..................................................................................... 26 3.1. Partes Componentes de uma Subestao de Consumidor ...................................... 26 3.2. Tipos de Subestao ............................................................................................... 29

    4. Principais Equipamentos de Subestaes ...................................................................... 39 4.1. Chaves Seccionadoras ............................................................................................ 39 4.2. Fusveis Limitadores Primrios .............................................................................. 41 4.3. Disjuntor de Mdia Tenso .................................................................................... 46 4.4. Pra-Raios a Resistor No-Linear .......................................................................... 50 4.5. Transformador de Corrente .................................................................................... 52 4.6. Transformador de Potencial ................................................................................... 53 4.7. Transformador de Potncia .................................................................................... 54

    5. Proteo contra Sobrecorrentes ..................................................................................... 61 5.1. Conceitos Filosficos de Proteo ......................................................................... 62 5.2. Tipos de sistemas de Proteo ................................................................................ 63 5.3. Princpios Bsicos da Proteo .............................................................................. 64 5.4. Dispositivos de Proteo Contra Sobrecorrentes ................................................... 66 5.5. Curva Tempo-Corrente .......................................................................................... 74 5.6. Coordenao e Seletividade ................................................................................... 77 5.7. Proteo de Transformador .................................................................................... 82

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    5.8. Proteo de Cabos .................................................................................................. 86 5.9. Proteo de Painis................................................................................................. 90

    6. Proteo Contra Sobretenses ....................................................................................... 93 6.1. Dispositivos de Proteo Contra Sobretenses ...................................................... 93 6.2. Aterramento ............................................................................................................ 98 6.3. Comentrio Sobre o Tipo de Aterramento do Neutro ............................................ 99

    7. Arquitetura ................................................................................................................... 102

    7.1. Iluminao ............................................................................................................ 102 7.2. Infra-Estrutura e Outros ....................................................................................... 103

    7.3. Ventilao e Controle de Temperatura................................................................. 104 7.4. Acessibilidade e Segurana .................................................................................. 106 7.5. Construo Civil ................................................................................................... 107 7.6. Instalaes Auxiliares .......................................................................................... 107 7.7. Dimensionamento Fsico das Subestaes ........................................................... 108

    8. Influncia dos Custos no Projeto de uma Subestao .................................................. 116 8.1. Comparao de Custos de uma Subestao de 500 KVA .................................... 116 8.2. Custos de Implantao ......................................................................................... 122

    9. Estudo de Caso: Projeto de uma Subestao de 1.000 kVA ........................................ 124 9.1. Dados da Unidade Consumidora .......................................................................... 124 9.2. Elementos e Seus Ajustes de Proteo ................................................................. 126 9.3. Especificao dos Equipamentos: ........................................................................ 131 9.4. Oramento e Relao de Materiais da Subestao: .............................................. 138

    10. Concluses e Proposta para Trabalhos Futuros ........................................................... 140 Bibliografia ............................................................................................................................. 143 Anexos .................................................................................................................................... 146

    A.1. Nomenclatura de rels da American Standard Association (ASA) ........................... 146 A.2. Layout da Subestao Abrigada 1,0 MVA 13,8/0,38 kV Estudo de Caso ............. 149

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    CAPTULO 1

    1. Introduo

    Um pas desenvolvido no pode ser imaginado sem energia eltrica ou com problemas em seu fornecimento. Energia da qual dependem muitos investimentos nacionais e internacionais que movimentam a economia e garantem o progresso e a gerao de empregos.

    Tamanha a importncia do sistema eltrico de um pas, que alguns institutos de pesquisa de desenvolvimento econmico apontam no consumo de energia eltrica um dado importante na classificao do nvel de participao na economia mundial do pas.

    Essa conscincia do tamanho da importncia da energia eltrica j foi reconhecida no Brasil. Aps alguns apages devidos a falta de investimentos no setor, o Brasil est correndo atrs do prejuzo.

    Hoje, o Brasil possui no total 2.063 empreendimentos em operao, gerando 103.619.806 kW de potncia. Est prevista para os prximos anos uma adio de 39.242.875 kW na capacidade de gerao do Pas, proveniente dos 129 empreendimentos atualmente em construo e mais 474 outorgadas, o que representa cerca de 37,8% da potncia disponvel atualmente, comprovando as informaes anteriores (ANEEL, 2009).

    Dados importantes so expostos nas tabelas que seguem. Tabela 1.1 - Capacidade de gerao do Brasil (ANEEL, 2009)

    Empreendimentos em Operao no Brasil Tipo Quantidade Potncia Outorgada (kW) Potncia Especializada (kW) % CGH 289 162.594 161.993 0,16

    EOL 33 414.480 414.480 0,40

    PCH 338 2.683.309 2.637.247 2,55

    SOL 1 20 20 0

    UHE 159 74.700.627 74.922.779 72,31

    UTE 1.241 26.385.985 23.476.287 22,66

    UTN 2 2.007.000 2.007.000 1,94

    Total 2.063 106.354.015 103.619.806 100

  • 17

    Tabela 1.2 - Empreendimentos em construo no Brasil (ANEEL, 2009) Empreendimentos em Construo no Brasil

    Tipo Quantidade Potncia Outorgada (kW) % CGH 1 848 0,01

    EOL 7 339.500 2,67

    PCH 65 1.084.017 8,52

    UHE 23 7.781.400 62,14

    UTE 33 3.520.623 27,66

    Total 129 12.726.388 100

    Tabela 1.3 - Empreendimentos autorizados para construo no Brasil (ANEEL, 2009) Empreendimentos Outorgados entre 1998 e 2009 no Brasil Tipo Quantidade Potncia Outorgada (kW) % CGH 73 49.613 0,19

    CGU 1 50 0

    EOL 50 2.388.173 9,01

    PCH 163 2.220.741 8,37

    SOL 1 5.000 0,02

    UHE 13 8.790.000 33,15

    UTE 173 13.062.910 49,26

    Total 474 26.516.487 100

    O Estado de Gois no poderia ser diferente, onde possui no total 57 empreendimentos em operao, gerando 8.725.859 kW de potncia, o que representa 8,42% da energia eltrica gerada no Brasil. Est prevista para os prximos anos uma adio de 2.023.318 kW na capacidade de gerao do Estado, proveniente dos 13 empreendimentos atualmente em construo e mais 26 com sua outorga assinada, o que representa 23,18% da energia disponvel no estado.

  • 18

    Tabela 1.4 - Capacidade de gerao do estado de Gois (ANEEL, 2009) Empreendimentos em Operao

    Tipo Quantidade Potncia (kW) % CGH 10 5.069 0,06

    PCH 12 166.502 1,91

    UHR 11 8.019.146 91,90

    UTE 24 535.142 6,13

    Total 57 8.725.859 100

    Tabela 1.5 - Empreendimentos em construo em Gois (ANEEL, 2009) Empreendimentos em Operao

    Tipo Quantidade Potncia (kW) % PCH 5 107.300 12,09

    UHE 8 780.500 87,91

    Total 13 887.800 100

    Tabela 1.6 - Empreendimentos autorizados para construo em Gois (ANEEL, 2009) Empreendimentos em Operao

    Tipo Quantidade Potncia (kW) % CGH 4 3.001 0,26

    PCH 8 146.997 12,95

    UHE 3 233.000 20,52

    UTE 11 752.520 66,27

    Total 26 1.135.518 100

    Seguem grficos de barras indicando a participao dos diversos estados da federao na gerao de energia eltrica.

  • 19

    Figura 1.1 - Participao dos estados na gerao de energia eltrica (ANEEL, 2009)

    Toda a energia eltrica gerada em usinas hidreltricas, termoeltricas, nucleares, solares ou elicas transmitida em alta tenso (AT) de forma a reduzir perdas de energia no processo. Geralmente, a energia gerada em baixa tenso por causa das caractersticas da maioria dos geradores de energia comumente utilizados. Para se realizar a elevao da tenso para um nvel de transmisso adequado utiliza-se de subestaes elevadoras. Esse nvel de tenso de transmisso em alta tenso (AT) no compatvel com o nvel de tenso de distribuio (dentro das cidades) e muito menos com o nvel de tenso dos consumidores finais. Por isso, em pontos prximos aos centros de cargas das cidades, subestaes rebaixadoras so construdas para transformar o nvel de tenso de transmisso (AT geralmente) para o nvel de tenso de distribuio (MT geralmente).

    As redes de distribuio de cidades so construdas e operadas em mdia tenso (MT) de forma a reduzir perdas de energia no processo. Esse o nvel de tenso que atende aos consumidores que se enquadram nas exigncias do Art. 6 - II da Resoluo 456 da ANEEL de 29 de Novembro de 2000. Os consumidores que se enquadram no Art.6 - II da Resoluo da ANEEL so atendidos pelas concessionrias em MT, tornando-se necessrio uma subestao rebaixadora de MT para BT para adequar aos nveis de tenso dos equipamentos usuais em indstrias, prdios comerciais e residenciais e conjuntos de residncias.

    Todas estas subestaes tm nos transformadores seu elemento principal, o que quer dizer que para o sistema funcionar bastaria somente ele. Mas aspectos de segurana, operao e proteo do prprio transformador, das linhas de transmisso, dos consumidores e dos operadores do sistema eltrico, vrios outros equipamentos so necessrios para manter o

  • 20

    sistema em um funcionamento seguro, de bom nvel e confivel. Assim sendo, pode-se citar as chaves seccionadoras, os disjuntores, os transformadores de corrente e potencial entre outros.

    Como j mencionado, uma subestao de energia tem a finalidade de modificar algumas grandezas eltricas, como tenso e corrente, permitindo a sua distribuio aos pontos de consumo em nveis adequados de utilizao. Elas podem ser classificadas de acordo com sua funo dentro de um sistema eltrico:

    Subestao Central de Transmisso: Normalmente construdas ao lado de usinas geradoras de energia eltrica com a

    finalidade de elevar a tenso da energia gerada para nveis econmicos em se tratando de transmisso de energia para os grandes centros consumidores.

    Subestao Receptora de Transmisso: Construdas prximas aos centros consumidores e alimentadas por linhas de

    transmisso que partem das subestaes centrais de transmisso.

    Subestao de Subtransmisso: So construdas no centro de um bloco de carga e alimentadas por uma

    subestao receptora de transmisso. de onde partem os alimentadores primrios que alimentam os transformadores de distribuio ou as subestaes de consumidores.

    Subestao de Consumidor: So construdas em propriedades particulares supridas atravs de alimentadores

    primrios originados de subestaes de subtransmisso.

    Figura 1.2 Sistema simplificado de GTD de energia eltrica

  • 21

    A resoluo 456 da ANEEL de 29 de Novembro de 2000 estabelece nveis de tenso para consumidores de acordo com a potncia instalada ou demandada, classificando em nveis de fornecimento conforme Art. 6 - II Tenso primria de distribuio inferior a 69 kV: quando a carga instalada na unidade consumidora for igual a 75kW e a demanda contratada ou estimada pelo interessado, para o fornecimento, for igual ou inferior a 2.500 kW. Entretanto, a concessionria de energia quem definir a tenso primria de fornecimento ao consumidor em questo.

    As concessionrias de energia eltrica devem atender em tenso primria de distribuio nos casos que se encaixem neste item da resoluo 456 da ANEEL. O nvel de tenso dever ser indicado pela concessionria, obedecendo, claro, aos nveis estabelecidos pela ANEEL.

    Para elaborao de projetos de subestao para uma determinada concessionria, devem-se tomar como orientao as normas tcnicas que cada empresa possui. Estas normas estabelecem padres de construo, critrios de anlise e comparao de projetos, condies gerais, proteo, aterramento, etc. compatveis com as Normas Brasileiras de Instalaes Eltricas de Alta Tenso NBR 14039/05.

    Esta monografia tratar somente das Subestaes de Consumidor alimentadas em Mdia Tenso. De acordo com a NBR 14039/2005, mdia tenso corresponde s tenses entre 1,0kV e 36,2kV.

    Pelo exposto, este trabalho tem como objetivo reunir informaes e apresentar um estudo de caso sobre subestaes de consumidores atendidos em mdia tenso, de forma a contribuir para a pesquisa e estudos de engenheiros eletricistas que atuem nesta rea da engenharia eltrica. Objetiva-se envolver assuntos como equipamentos utilizados na construo de uma subestao, dispositivos e conceitos de proteo de sobrecorrente e sobretenso, arquiteturas, oramentos dos tipos de subestaes e um estudo de caso real aplicando o tema desenvolvido.

    Informaes a respeito de todos os assuntos aqui desenvolvidos so encontradas em livros e trabalhos existentes, mas em diversas obras diferentes. Tal situao torna a pesquisa de um engenheiro projetista que atua na rea de subestaes mais difcil, pois necessitaria adquirir vrios livros e trabalhos cientficos. Por estes motivos, este trabalho se justifica por agrupar informaes diversas em um s trabalho.

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    No captulo 2 deste trabalho, sero desenvolvidas e apresentadas noes e conceitos sobre estudo de carga de uma instalao e enquadramento tarifrio de acordo com a resoluo 456 da ANEEL e a norma NTD-05 da Companhia Energtica de Gois CELG.

    O captulo 3 apresenta os principais tipos de subestaes, como o tipo abrigado, ao tempo ou cubculo blindado. As justificativas para a escolha de cada tipo de subestao so discutidas de forma a contribuir na tomada de deciso do engenheiro eletricista responsvel pelo projeto.

    J no captulo 4, os principais equipamentos utilizados em subestaes so apresentados. Princpios de funcionamento, tipos e figuras de cada equipamento podem ser observados de maneira a contribuir para um melhor entendimento sobre o equipamento.

    Conceitos, filosofias e mtodos de clculo sobre protees de sobrecorrente podem ser encontrados no captulo 5 desta monografia.

    No captulo 6, a proteo de subestaes contra sobretenses so discutidas de maneira a apresentar formas de controle e limitao de riscos, tanto para o operador da subestao quanto para a instalao.

    Como iluminar uma subestao? Como garantir a ventilao? Como mitigar a existncia de riscos de acidentes por contato ou choque? Tais perguntas podero ser respondidas no captulo 7, onde o assunto arquitetura de subestaes discutido.

    Os custos de implantao de uma subestao so discutidos no captulo 8, onde so apresentados oramentos de 3 tipos de subestaes de 500 kVA, sendo analisado o impacto da escolha do tipo de subestao, bem como dos equipamentos que faro parte da construo.

    Como proposto, no captulo 9, um estudo de caso real desenvolvido desde as primeiras definies at a apresentao de uma planta baixa com cortes e detalhes de uma subestao consumidora atendida em tenso 13,8 kV de potncia 1.000 kVA.

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    CAPTULO 2

    2. Estudo da carga

    Uma instalao eltrica a unio de todos os componentes e sistemas necessrios para se disponibilizar a energia eltrica de forma segura e conforme padres tcnicos exigidos pelas normas nacionais e das concessionrias de energia que suprem o respectivo consumidor. Cada equipamento a ser energizado solicita (ou demanda) uma determinada quantidade de energia da rede, e essa demanda possui suas caractersticas.

    Numa instalao completa, os equipamentos podem estar ligados simultaneamente ou no, ou alguns ligados e outros no, ou ainda, esto ligados a plena carga enquanto que outros no o esto. Enfim, toda instalao demanda certa quantidade de energia eltrica dependendo do uso dos equipamentos nela instalados.

    As concessionrias de energia j possuem estudo da demanda mdia de cada tipo de instalao, seja ela residencial, comercial, hospitalar, industrial, etc., onde para cada tipo de equipamento se prev um consumo padro. Quando no se tem este padro de consumo, a demanda deve ser calculada pelo responsvel tcnico da instalao.

    A demanda total de uma instalao o valor que determina as caractersticas do fornecimento de energia a este consumidor, obedecendo aos limites de fornecimento da concessionria e s determinaes da ANEEL. A partir destes limites se determina o dimensionamento de equipamentos e cabos para entrada de energia. Alguns aspectos sobre demanda sero abordados.

    2.1. Demanda

    Um aspecto da carga instalada a ser considerado a solicitao das instalaes ao longo do dia, semana, ms e ano. Percebe-se que somente uma parte da carga instalada solicitada concessionria, tendo uma mdia de consumo de energia eltrica. definido pela ANEEL como fator de demanda, que nada mais que a mdia das potncias eltricas ativas ou

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    reativas, solicitadas ao sistema eltrico pela parcela da carga instalada em operao na unidade consumidora, durante um intervalo de tempo especificado.

    Porm, a unidade consumidora no consome esta demanda em tempo integral ao longo do dia, ms e ano. Possui uma sazonalidade de consumo alternando em funo do horrio do dia. Por este motivo, contrata-se uma demanda com tarifa horosazonal de forma a pagar somente por aquilo que se consome. Essa demanda contratada a potncia que a concessionria de energia dever disponibilizar ao consumidor. Por outro lado, o consumidor dever pagar integralmente o valor da tarifa multiplicado pela demanda contratada, seja ou no utilizada a energia disponibilizada.

    O valor da demanda contratada e o enquadramento horosazonal deve ser muito bem escolhido em funo do comportamento de consumo de energia eltrica afim de se ter um menor custo de energia, pois esto previstos multas e sobretaxas em cima do que se consome em relao ao que se contrata junto concessionria. Por exemplo, a demanda de ultrapassagem a parcela da demanda medida que excede o valor da demanda contratada, expressa em quilowatts (kW).

    Os equipamentos de medio de energia colhem os valores de maior demanda de potncia ativa integralizada no intervalo de 15 (quinze) minutos durante o perodo de faturamento, expressa em quilowatts (kW). Este valor o que considerado na composio da fatura de energia eltrica.

    2.2. Enquadramento Tarifrio

    Em instalaes onde a demanda superior a 75 kW e que necessria uma subestao, uma demanda dever ser contratada. A resoluo 456 da ANEEL define as estruturas tarifrias disponveis no mercado de energia eltrica brasileiro, que definido de acordo com a tenso de fornecimento e a demanda de energia da unidade consumidora.

    Nesta resoluo so definidos os principais termos que afetam ao valores tarifrios: o horrio do dia e a poca do ano:

    Horrio de Ponta (P): perodo de 3 horas consecutivas que vai das 18h s 21h, exceto sbados, domingos e feriados nacionais.

    Horrio Fora de Ponta (F): horas complementares ao horrio de ponta.

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    Perodo mido (U): Perodo de 5 meses consecutivos, compreendendo os meses de dezembro a abril.

    Perodo Seco (S): Perodo de 7 meses consecutivos, compreendendo os meses maio a novembro.

    De acordo com o Art. 2, item XVI da resoluo 456, a estrutura tarifria convencional caracterizada pela aplicao de tarifas de consumo de energia eltrica e/ou demanda de potncia independentemente das horas de utilizao do dia e dos perodos do ano. Este tipo de tarifa permitido para as unidades consumidoras atendidas por tenso de fornecimento inferior a 69 kV e sempre que for contratada demanda inferior a 300 kW.

    J no item XVII do mesmo Art. 2, a estrutura tarifria horo-sazonal definida como um conjunto de tarifas diferenciadas de consumo de acordo com as horas de utilizao do dia e poca do ano. A tarifao horo-sazonal classificada em dois tipos:

    Tarifa horo-sazonal azul: modalidade estruturada para aplicao de tarifas diferenciadas de consumo de energia eltrica de acordo com as horas de utilizao do dia e os perodos do ano, bem como de tarifas diferenciadas de demanda de potncia de acordo com as horas de utilizao do dia;

    Tarifa horo-sazonal verde: modalidade estruturada para aplicao de tarifas diferenciadas de consumo de energia eltrica de acordo com as horas de utilizao do dia e os perodos do ano, bem como de uma nica tarifa de demanda de potncia.

    A tarifao horo-sazonal permitida para as unidades consumidoras atendidas pelo sistema eltrico interligado e com tenso de fornecimento igual ou superior a 69 kV. Se houver opo do consumidor, podero ser enquadrado unidades consumidoras atendidas pelo sistema eltrico interligado e com tenso de fornecimento inferior a 69 kV, quando a demanda contratada for igual ou superior a 300 kW em qualquer segmento horo-sazonal. Ainda, quando a unidade consumidora faturada na estrutura tarifria convencional houver apresentado, nos ltimos 11 ciclos de faturamento, 3 registros consecutivos ou 6 alternados de demandas medidas iguais ou superiores a 300 kW.

    No ser desenvolvido um estudo aprofundado sobre demanda e tarifao de energia eltrica por no serem estes o tema proposto nesta monografia.

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    CAPTULO 3

    3. Escolha do Tipo da Subestao

    Uma subestao de energia, como j apresentado nos captulos anteriores, possui algumas funes dentro de uma instalao eltrica, tais como medio do consumo de energia eltrica para faturamento, proteo das instalaes e equipamentos e transformao do nvel de tenso da rede para o nvel de tenso aplicvel ao uso determinado. Estas funes podem ser atingidas atravs de alguns tipos consagrados de subestaes.

    A escolha do tipo de uma subestao deve atender as caractersticas e exigncias de cada instalao, seguindo padres e normas nacionais e internacionais de segurana e qualidade, alm de um fator de grande importncia na engenharia: os custos de implantao. Esta escolha influencia em vrios itens das instalaes, tais como a proteo do sistema eltrico, a entrada de energia do empreendimento, o dimensionamento dos cabos alimentadores dos painis de BT, etc..

    Este captulo apresentar os tipos mais usados de subestaes e seus componentes.

    3.1. Partes Componentes de uma Subestao de Consumidor

    As subestaes de consumidor apresentam os seguintes componentes:

    Entrada de Servio composta pelo ponto de ligao, ramal de entrada, ponto de entrega e o ramal de entrada;

    Cabine de medio, proteo, seccionamento e transformao.

    3.1.1. Entrada de Servio

    A entrada de servio de uma subestao compreende os dispositivos localizados entre o ponto de derivao da rede de distribuio da concessionria de energia e os terminais da medio do consumidor. Neste percurso alguns itens compem a entrada de energia:

  • 27

    Ponto de ligao: Ponto onde derivado da rede da concessionria um ramal de ligao para

    atender a respectiva subestao, conforme figura 3.1, ponto A.

    Ramal de Ligao: o trecho entre o ponto de ligao e o ponto de entrega, percurso que deve ser

    areo, conforme figura 3.1, ponto B. Normalmente, como o ramal de ligao uma extenso do sistema de suprimento de energia, a responsabilidade do projeto, construo e manuteno caber a concessionria local.

    Ponto de Entrega Ponto onde a concessionria se obriga a fornecer a energia eltrica, sendo

    responsvel tecnicamente, pela construo, operao e manuteno. No corresponde necessariamente ao ponto de medio do consumidor. O ponto de entrega pode variar conforme o tipo da subestao, sendo entrada area ou subterrnea.

    Ramal de Entrada a interligao do ponto de entrega da concessionria aos terminais de

    medio. Assim como o ponto de entrega, varia de acordo com o tipo de subestao, sendo areo ou subterrneo. O ramal de entrada areo constitudo de condutores ao tempo e suspensos em estruturas adequadas para instalaes areas. O ramal de entrada subterrneo constitudo de condutores com isolao apropriada para a aplicao e instalados em condutos enterrados no solo. Neste tipo de instalao importante observar a necessidade de se utilizar caixas de passagem no percurso enterrado deixando um chicote dentro, sendo que as caixas devem ter dimenses aproximadas de 80x80x80cm (chicote uma sobra de cabo enrolado). Alm disto, em locais de trnsito pesado de veculos, necessrio instalar junto aos condutos envelopamentos de concreto e/ou camas de areia no fundo da vala onde sero lanados para proteo contra esforos mecnicos.

    Segundo a norma NBR 14039/05, o engenheiro projetista deve prever no dimensionamento dos cabos alimentadores uma queda de tenso de no mximo 5% do ponto de ligao com a rede da concessionria at o ponto de conexo com a unidade de transformao (ponto de utilizao).

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    Figura 3.1 - Componentes genricos de uma entrada de energia

    3.1.2. Cabine de Medio, Proteo e Seccionamento

    A parte da subestao destinada instalao dos equipamentos de medio, proteo, e seccionamento, a cabine de medio e proteo deve constituir-se por dois compartimentos contguos, delimitados por parede de alvenaria at o teto, com os seguintes usos:

    O primeiro compartimento, chamado de recinto de medio, destina-se a receber o ramal de entrada, a chave seletora de entrada e a instalao dos transformadores de corrente (TC) e de potencial (TP) da medio fornecidos pela concessionria local;

    Em outro compartimento devem ser instalados os equipamentos de proteo, delimitados entre si por muretas de alvenaria e providos na parte frontal de grade de proteo que ir servir de anteparo para os operadores. Esses cubculos destinam-se apenas instalao de equipamentos e dispositivos de mdia tenso, tais como disjuntores de MT, TC e TP de proteo, etc.

    No cubculo de medio deve-se instalar uma janela para iluminao natural, sempre que possvel. Assuntos relacionados com arquitetura de subestaes sero abordados tambm no captulo 7.

  • 29

    3.1.3. Cabine de Transformao

    A cabine de transformao deve ser instalada preferencialmente no centro de cargas, com o transformador rebaixador instalado com as caractersticas adequadas quanto ao seu tipo, sendo com isolante leo ou a seco.

    Todas as cabines devem apresentar de forma visvel a qualquer operador ou visitante uma placa com a inscrio: PERIGO DE VIDA ALTA TENSO e os smbolos caractersticos desse perigo.

    3.2. Tipos de Subestao

    Ao projetar uma subestao, vrios aspectos influenciam nas tomadas de decises, alguns tcnicos e outros econmicos. Em geral as subestaes so classificadas em 3 tipos:

    Subestao em alvenaria;

    Subestao blindada em cubculo metlico;

    Subestao instalada ao tempo.

    3.2.1. Subestao em Alvenaria

    So as subestaes onde os equipamentos so instalados em dependncias abrigadas. o tipo de subestao mais comum no ambiente industrial. Apresenta um custo reduzido alm de ser de fcil montagem e manuteno. No entanto, uma rea relativamente grande demandada para a instalao. Sua aplicao mais notvel em instalaes industriais que disponham de espao prximo aos centros de carga.

    Podem ser classificadas em compartimentos de acordo a funo desempenhada: medio, proteo e transformao.

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    3.2.1.1. Posto de Medio

    aquele destinado localizao dos equipamentos auxiliares de medio, tais como os transformadores de corrente e potencial. Normalmente, so postos de exclusividade da concessionria, sendo todos os seus acessos lacrados de modo a no permitir a entrada de pessoas que no sejam autorizados pela concessionria.

    A construo do posto de medio obrigatria, para a maioria das concessionrias, nos seguintes casos:

    Quando a potncia de transformao for superior a 500 kVA; Quando existir mais de um transformador na subestao; Quando a tenso secundria do transformador for diferente da tenso

    padronizada pela concessionria. Quando a potncia de transformao for menor ou igual a 500 kVA a medio dever

    ser feita em tenso secundria, sendo dispensada a construo do posto de medio. Acima de 500 kVA de potncia de transformao, a medio dever ser feita em tenso primria, em um posto de medio especfico, quando determinado pela concessionria.

    Na maioria das concessionrias, os transformadores de corrente e de tenso (TC e TP) de medio so fornecidos e instalados pela concessionria, cabendo ao consumidor apenas a montagem e disponibilizao do cavalete ou estrutura de sustentao destes equipamentos, de acordo com as normas da respectiva concessionria.

    3.2.1.2. Posto de Proteo

    aquele destinado instalao de chaves seccionadoras, fusveis e/ou disjuntores responsveis pela proteo geral e seccionamento da instalao.

    De acordo com a NBR 14039/05, em subestaes de potncia de transformao de at 300 kVA, a proteo poder ser realizada por disjuntor acionado por um rel de sobrecorrente (50/51 e 50N/51N) ou atravs de chaves seccionadoras e fusveis limitadores de corrente, sendo que neste caso obrigatoriamente a proteo na baixa tenso dever ser feita por disjuntor. Acima desta potncia de transformao, a proteo em mdia tenso dever ser realizada pelo menos por disjuntor acionado por um rel de sobrecorrente (50/51 e 50N/51N).

  • 31

    3.2.1.3. Posto de Transformao

    aquele destinado instalao de transformadores de fora. Os principais tipos de transformadores so classificados de acordo com o tipo de isolamento: leo ou a seco. Os transformadores a seco no requerem instalaes auxiliares, j os de isolamento leo requerem algumas precaues, segunda a NBR 14039/05:

    Construo de barreiras incombustveis entre os transformadores e demais aparelhos;

    Construo de dispositivos adequados para drenar ou conter o lquido proveniente de um eventual rompimento do tanque.

    Essas precaues tm o objetivo de conter o leo num possvel vazamento do tanque do transformador. As principais partes componentes de um sistema coletor de leo com barreiras corta-chamas so:

    Recipiente de coleta de leo;

    Sistemas corta-chamas;

    Tanque acumulador. O recipiente de coleta de leo pode ser construdo com uma rea plana igual seo

    transversal do transformador, incluindo os radiadores. Tambm pode ser construdo com rea plana de dimenses reduzidas, prevendo-se, no entanto, um declive mnimo no piso de 10% no sentido do recipiente, a fim de coletar o leo que por ventura vaze.

    O sistema corta-chama funciona como barreira de proteo impedindo que a chama, no caso de incndio, atinja o tanque acumulador. Deve ser construdo de material incombustvel e resistente a temperaturas elevadas. Os dutos de escoamento devem ter dimetros de 75 mm.

    O tanque acumulador deve ter capacidade de armazenar todo o volume de leo contido no transformador. Para transformadores de potncia nominal superior a 1.500 kVA e inferior a 3.000 kVA, a capacidade til mnima do tanque acumulador de 2m.

    Nos casos onde houver mais de um transformador, pode-se construir apenas um tanque acumulador com capacidade til mnima igual a capacidade do maior transformador da instalao.

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    Figura 3.2 - Subestao abrigada em alvenaria cubculos de medio, proteo e transformao

    3.2.2. Subestao Blindada em Cubculo Metlico

    Tipo e tecnologia escolhida por consumidores que no dispem de espao para alocao de uma subestao em alvenaria. Neste caso, os custos so maiores em relao subestao em alvenaria devido aos equipamentos serem compactos e construdos com materiais de maiores resistncias e capacidade de isolao eltrica. Em termos de funcionalidades, nada muda de um tipo para outro, porm, a manuteno e a montagem so mais complexas.

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    Figura 3.3 Subestao blindada em cubculo metlico (Beghim, 2009)

    3.2.3. Subestao Instalada ao Tempo

    As subestaes instaladas ao tempo so aquelas em que os equipamentos so instalados ao tempo e os aparelhos abrigados.

    Podem ser classificadas segundo a montagem dos equipamentos:

    Subestao area em plano elevado;

    Subestao de instalao no nvel do solo.

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    3.2.3.1. Subestao area em plano elevado

    So assim consideradas as subestaes cujo transformador est fixado em torre ou plataforma, geralmente so fabricadas em concreto armado, ao ou madeira. Observa-se que postes de concreto so muito utilizados neste tipo de subestao.

    Todas as partes vivas no protegidas devem estar situadas, no mnimo, a 5 metros do piso. Quando no for possvel observar a altura mnima de 5m para as partes vivas, pode ser tolerado o limite de 3,5 metros, desde que o local seja provido de um sistema de proteo de tela metlica ou equivalente, devidamente ligado terra. Essa exceo deve atender as seguintes caractersticas:

    Afastamento mnimo de 30 cm das partes vivas;

    Malha de tela com 50 mm de abertura, no mximo;

    Fios de ao zincado ou material equivalente de 3 mm de dimetro, no mnimo. Os equipamentos podem ser instalados da seguinte forma:

    Em postes ou torres de ao, concreto ou madeira adequada;

    Em plataformas elevadas sobre estrutura do concreto, ao ou madeira adequada;

    Em reas sobre cobertura de edifcios, inacessveis a pessoas no qualificadas ou providas do necessrio sistema de proteo externa. Em nenhum equipamento, neste caso, no deve ser empregado lquido isolante inflamvel.

    As concessionrias, CELG D, por exemplo, determinam um limite de potncia do transformador instalado em um nico poste em 225 kVA. Acima de 225 kVA, podendo chegar at 500 kVA dependendo da concessionria, a instalao dever ser feita em dois postes numa estrutura conhecida como estrutura H, onde o transformador instalado em uma base area fixada nos postes.

    As figuras que seguem (3.4 e 3.5) esto conforme a NTD-05 reviso 01 da CELG D.

  • 35

    Figura 3.4 - Subestao ao tempo de 112,5 kVA instalada em poste

    Figura 3.5 - Subestao ao tempo de 300 kVA instalada em postes em estrutura H

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    3.2.3.2. Subestao Instalada ao nvel do solo

    o tipo de subestao em que os equipamentos, tais como disjuntores e transformadores, so instalados em bases de concreto construdas ao nvel do solo e os demais equipamentos, tais como pra-raios, chaves fusveis e seccionadoras, so montadas em estruturas areas.

    Esse tipo de subestao no costuma ser montada em reas urbanas por causa do elevado custo do terreno e dos equipamentos, em virtude de serem apropriados para instalao ao tempo. Pode-se tornar mais econmica em instalaes em locais rurais por ser um terreno mais barato. Para nveis de mdia tenso tm-se uma pequena utilizao desse tipo de subestao. Muito utilizada, porm, para nveis de tenso maior ou igual a 69 kV.

    3.2.4. Localizao da Subestao x Tipo de Transformador

    A norma brasileira NBR 14039/2005 sugere a localizao do transformador de acordo com o seu tipo de isolamento: leo mineral ou a seco. Isso por causa do fator segurana dos operadores desta subestao e dos operrios adjacentes.

    O tipo de isolamento do transformador importante nesta determinao quando se prev uma possvel falha no sistema eltrico local ou adjacente que possa provocar uma perturbao no transformador capaz de danific-lo. Quando se trata de um transformador leo, uma exploso pode provocar uma grande bolha de fogo e causar srios danos s instalaes prximas alm de incndios e por em risco a vida de pessoas que estejam prximas ao local. No caso dos transformadores a seco isso no acontece. O comportamento deste tipo de transformador devido a grande perturbao de quebra ou rompimento do seu corpo gerando falhas no seu funcionamento.

    A norma NBR 14039/05 determina que quando uma subestao de transformao fizer parte integrante da edificao, somente permitido o emprego de transformadores de lquidos isolantes no inflamveis ou transformadores a seco.

    No caso da edificao para uso industrial, local onde a norma subentende que h pessoal de manuteno trabalhando, pode-se concluir que a subestao no parte integrante da edificao, para efeito da aplicao de transformadores, nas seguintes situaes:

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    Quando a subestao est fora da edificao, mesmo que esteja no interior da propriedade, conforme figura 3.6 item 1;

    Quando a subestao est no interior da edificao, mas as portas abrem para fora da edificao, e a subestao separada do interior da edificao por paredes de alvenaria, no havendo nenhuma abertura para dentro, por exemplo, para ventilao, conforme figura 3.6 item 2;

    Quando a subestao est no interior da edificao, e as portas abrem para dentro da edificao, e se so portas corta-fogo e a subestao separada do interior da edificao por paredes de alvenaria, no havendo outra abertura para dentro, por exemplo, para ventilao, conforme figura 3.6 item 3;

    Quando a subestao est totalmente no interior da edificao, e as portas abrem para dentro da edificao, e a subestao separada do interior da edificao por paredes de alvenaria, mas no h nenhuma abertura para dentro, por exemplo, para ventilao, conforme figura 3.6 item 4;

    Figura 3.6 - Localizao da subestao em relao edificao (MAMEDE, 2007)

    No caso da edificao para uso residencial ou comercial, local onde a norma subentende que no h pessoal de manuteno trabalhando, pode-se concluir que a subestao no parte integrante da edificao, para efeito da aplicao de transformadores, somente quando a

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    mesma est fora da edificao, mesmo que esteja no interior da propriedade, conforme figura 3.6 item 1. Em todas as outras situaes, onde a subestao est no interior da edificao, a subestao parte integrante da edificao.

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    CAPTULO 4

    4. Principais Equipamentos de Subestaes

    Nas subestaes normalmente existem dispositivos que possuem a funo de medio da energia consumida para faturamento ou controle interno, de proteo e seccionamento das instalaes e coordenao com o sistema eltrico e de transformao do nvel de tenso de fornecimento para os nveis desejveis. Para isto, cada funo feita por um equipamento especfico dimensionado para o seu correto uso. Como exemplos, podem ser citadas as chaves seccionadoras, disjuntores, pra-raios, transformadores de corrente, de potencial e de potncia, fusveis que sero apresentados neste captulo.

    4.1. Chaves Seccionadoras

    Elemento de seccionamento que pode ter funo de proteo de sobrecorrentes. A chave fusvel com isolador de corpo nico, tambm conhecida como chave

    seccionadora de distribuio com base tipo C, empregada normalmente em sistemas de distribuio para corrente nominal no superior a 200A. Sua funo de proteo feita pelo elemento elo fusvel instalado na parte mvel do equipamento, assunto que ser melhor apresentado no item 4.2.

    Figura 4.1 - Chave fusvel MT para distribuio instalao externa (Balestro, 2009)

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    A chave seccionadora com isolador tipo pedestal empregada nas chaves fusveis e so apoiados numa base metlica que tambm tem a funo de fixar a chave em estrutura da rede de distribuio ou na subestao. So normalmente empregadas na proteo de subestao de fora de at 69 kV.

    Estas chaves fusveis so equipamentos adequados para aberturas do circuito sem carga. No caso da proteo de transformadores individuais permitida a abertura dos seus terminais primrios circulando apenas a corrente de magnetizao. Mesmo assim, verifica-se a existncia de arco eltrico durante a operao da chave cuja magnitude depende da velocidade da manobra que o operador imprime na vara de manobra.

    Figura 4.2 - Chave seccionadora com abertura sem carga (Beghim, 2009)

    Existem chaves fusveis que permitem a abertura do circuito circulando corrente no valor da corrente nominal da chave, sem necessidade de ferramentas especiais. Na operao em carga, a chave fusvel dotada de cmara de extino, a corrente desviada do contato superior da chave para o contato auxiliar que est instalado dentro da cmara por meio de um brao de ao inoxidvel. Na abertura desse contato o arco formado ficar no interior da cmara onde ser gerado um gs deionizante. O gs expelido, o alongamento do arco e a velocidade de abertura do brao de ao inoxidvel proporcionaro a interrupo do arco. Esse tipo de chave tem um custo mais elevado em relao s chaves sem abertura sob carga.

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    Figura 4.3 - Chave seccionadora com abertura sob carga sem base fusvel (Beghim, 2009)

    O cartucho ou porta-fusvel a parte principal e ativa da chave fusvel. o componente da chave que aloja o elo fusvel, responsvel pelas caractersticas de proteo da chave, e ainda a parte mvel da chave, elemento que quando esta manobrada, se move para desconectar as pontas. Apresenta uma funo secundria, porm de grande importncia, pois, aps a operao da chave, o cartucho fica suspenso na extremidade inferior desta, servindo como elemento indicador de atuao da chave fusvel, permitindo s equipes de manuteno fcil identificao do local onde ocorreu a interrupo do sistema.

    Figura 4.4 - Chave seccionadora com abertura sob carga com base fusvel (Beghim, 2009)

    4.2. Fusveis Limitadores Primrios

    O fusvel um dispositivo de proteo que opera pela fuso do seu elemento interno (elo fusvel) na passagem de corrente. Trata-se de um dispositivo de proteo simples e de baixo

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    custo se comparado com os outros dispositivos de proteo. Podem ser usados tanto na mdia tenso quanto na baixa tenso. O seu baixo custo, sua eficincia em limitao de corrente e sua alta capacidade de interrupo justifica sua utilizao.

    A caracterstica fundamental do fusvel que ele usa um elemento metlico que ser fundido para obter a interrupo da corrente e possui uma curva de tempo-corrente fixa no ajustvel. importante observar que o grfico de tempo-corrente do fusvel formado de duas curvas:

    Curva de tempo mnimo de fuso;

    Curva de tempo mximo de interrupo. Na escolha do fusvel, deve ser levada em conta a energizao e partida de

    equipamentos a serem protegidos, tais como transformadores e motores. Isso significa que o elo fusvel no deve romper neste tipo de operao.

    4.2.1.1. Fusveis de Mdia Tenso

    Os fusveis de mdia tenso do tipo limitadores de corrente so destinados ao uso interno ou externo em sistemas de corrente alternada de 60 Hz para tenses acima de 1,0 kV. So largamente usados na proteo de transformadores, motores, alimentadores e banco de capacitores.

    Quando uma corrente de falta de alta intensidade atravessa o fusvel, sua fuso ocorre antes que a corrente de falta atinja seu valor mximo.

    A caracterstica de limitao ocorre quando o tempo de interrupo do fusvel, que igual a soma do tempo de fuso (ts) e o tempo de extino do arco (tL), for menor que o tempo da corrente presumida atingir o seu valor mximo, normalmente em um quarto () de ciclo.

    Estes fusveis no so fabricados para proteo de sobrecarga e sim para proteo de curto-circuito.

    O fusvel de MT mais comumente usado em instalaes industriais o tipo HH. Deve ser escolhido com corrente de carga mxima do circuito.

  • 43

    Figura 4.5 - Fusvel de MT limitador de corrente HH (Dreyffus, 2009)

    Figura 4.6 - Curva tempo-corrente fusvel HH de Mdia Tenso (Dreyffus, 2009)

  • 44

    4.2.1.2. Elo Fusvel de Distribuio

    Os elos fusveis so utilizados em chaves fusveis nos sistemas de distribuio primria das concessionrias. So normatizados pela norma NBR 5359 onde so classificados nos tipos: H, K e T:

    Tipo K: largamente utilizado na proteo de redes areas de distribuio urbanas e rurais. So considerados elos fusveis de atuao rpida;

    Tipo T: considerado fusvel de atuao lenta. Sua aplicao na proteo de ramais primrios de redes areas de distribuio;

    Tipo H: utilizado na proteo de transformador de distribuio e fabricado para correntes de at 5A. So considerados elos fusveis de alto surto, isto , apresentam um tempo de atuao lento para altas correntes.

    Esta relao de rapidez mencionada na classificao dos tipos de elos fusveis definida como a relao entre o valor da corrente mnima de fuso a 0,1 segundo e a corrente mnima de fuso a 300 segundos para elos fusveis de corrente nominal de at 100 A ou 600 segundos para elos fusveis de corrente nominal acima de 100 A. A NBR 5359 estabelece que os elos fusveis devem estar de acordo com os valores apresentados nas tabelas abaixo.

    Tabela 4.1 - Corrente de fuso para os elos fusveis tipo K (NBR 5359)

    Corrente Nominal (A) Corrente de Fuso (A) Relao

    de

    Rapidez

    300 ou 600 seg (*) 10 seg 0,1 seg Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx.

    Preferncias

    6 12,0 14,4 13,5 16,2 72 86,4 6,0 10 19,5 23,4 22,5 27,0 128 153,6 6,6 15 31,0 37,2 37,0 44,4 215 258,0 6,9 25 50,0 60,0 60,0 72,0 350 420,0 7,0 40 80,0 96,0 98,0 117,6 565 678,0 7,1 65 128,0 153,6 159,0 190,8 918 1.101.5 7,2

    100 200,0 240,0 258,0 309,6 1.520 1.824,0 7,6 140 310,0 372,0 430,0 516,0 2.470 2.964,0 8,0 200 480,0 576,0 760,0 912,0 3.880 4.656,0 8,1

    No Preferenciais

    8 15,0 18,0 18,0 21,6 97 116,4 6,5 12 25,0 30,0 29,5 35,4 166 199,2 6,0 20 39,0 47,0 48,0 57,6 273 327,6 7,0 30 63,0 76,0 77,5 93,0 447 536,4 7,1 50 101,0 121,0 126,0 151,2 719 867,8 7,1 80 160,0 192,0 205,0 246,0 1.180 1.416,0 7,4

    (*) 300 segundos para elos fusveis at 100 A, 600 segundos para elos fusveis de 140 e 200 A.

  • 45

    Tabela 4.2 - Corrente de fuso para os elos fusveis tipo T (NBR 5359)

    Corrente Nominal (A) Corrente de Fuso (A) Relao

    de

    Rapidez

    300 ou 600 seg (*) 10 seg 0,1 seg Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx.

    Preferncias

    6 12,0 14,4 15,3 18,4 120 144,0 10,0 10 19,5 23,4 26,5 31,8 224 268,8 11,5 15 31,0 37,2 44,5 53,4 388 465,6 12,5 25 50,0 60,0 73,5 88,2 635 762,0 12,7 40 80,0 96,0 120,0 144,0 1.040 1.248,0 13,0 65 128,0 153,6 195,0 234,0 1.650 1.980,0 12,9

    100 200,0 240,0 319,0 382,8 2.620 3.144,0 13,1 140 310,0 372,0 520,0 624,0 4.000 4.800,0 12,9 200 480,0 576,0 850,0 1.020,0 6.250 7.500,0 13,0

    No Preferenciais

    8 15,0 18,0 20,5 24,6 166 199,2 11,1 12 25,0 30,0 34,5 41,4 296 355,2 11,8 20 39,0 47,0 57,0 68,4 496 395,2 12,7 30 63,0 76,0 93,0 111,6 812 974,4 12,9 50 101,0 121,0 152,0 182,4 1.310 1.572,0 13,0 80 160,0 192,0 248,0 297,6 2.080 2.496,0 13,0

    (*) 300 segundos para elos fusveis at 100 A, 600 segundos para elos fusveis de 140 e 200 A.

    Tabela 4.3 - Corrente de fuso para os elos fusveis tipo H (NBR 5359) Corrente

    Nominal (A) Corrente de Fuso (A)

    300 seg 10 seg 0,1 seg Mnimo Mximo Mnimo Mximo Mnimo Mximo

    1 2,5 3,3 6,8 8,6 53 80 2 3,5 4,3 9,2 12,0 89 130 3 4,7 5,9 11,3 14,5 89 130 5 7,4 9,2 15,3 18,5 89 130

    Quando o elo fusvel usado na proteo de um alimentador, sua corrente nominal (IE) dever ser maior ou igual a corrente de carga mxima (IC) do alimentador, considerando uma eventual previso de aumento de carga. Por outro lado, corrente nominal do elo (IE) dever ser menor ou igual que um quarto da mnima corrente de curto-circuito (ICC_mn) no trecho a ser protegido, conforme expresso 4.1:

    I I

    I_ (4.1) A corrente do elo fusvel no deve exceder a corrente da chave fusvel que geralmente

    encontra-se em srie com o fusvel.

  • 46

    Figura 4.7 - Elos fusveis modelos H, K, T, EF e olhal (Delmar, 2009)

    4.3. Disjuntor de Mdia Tenso

    Os disjuntores so equipamentos destinados ao chaveamento e a interrupo de corrente eltricas de uma instalao. Estes equipamentos necessitam de um acionador para operarem, que pode ser um rel ou botes de controle instalados no painl de proteo. O rel o elemento que processa as informaes obtidas atravs de sensores de corrente ou tenso (TC e TP) e as analisam determinando assim se deve ou no interromper o circuito.

    Por ter a capacidade de interromper o circuito sob carga ou em falta (defeito), o disjuntor tem como sua principal funo a interrupo das correntes de falta de um circuito durante o menor tempo possvel, determinado pelo seu respectivo rel. Neste tipo de manobra um fenmeno fsico muito prejudicial aos equipamentos surge e precisa ser eliminado: o arco eltrico.

    4.3.1. Arco Eltrico

    O arco eltrico um fenmeno que ocorre quando se separam dois terminais de um circuito que conduz determinada corrente de carga, de sobrecarga ou defeito. Pode ser definido tambm como um canal condutor formado num meio fortemente ionizado, provocando um intenso brilho e elevando, consideravelmente, a temperatura natura do meio em que se desenvolve (MAMEDE, 2007).

  • 47

    No instante inicial do movimento do contato mvel, a presso entre os contatos diminui, aumentando-se, consequentemente, a resistncia eltrica entre eles e conduzindo a corrente a circular apenas por algumas salincias existentes nas superfcies dos contatos. Isso acarreta grandes perdas hmicas, elevando consideravelmente a temperatura das superfcies condutoras. Imediatamente aps a separao dos contatos, a corrente continua passando atravs do meio fortemente ionizado. Ao se proceder o afastamento total dos contatos, observa-se a formao do arco que precisa ser extinto o mais rapidamente possvel, para a evitar a fuso dos contatos.

    O arco pode atingir cerca de 4.000K (3.726C) na sua periferia, podendo chegar aproximadamente a 15.000K (14.726C) no seu ncleo. Os valores dessas temperaturas podem variar em funo do meio extintor (SILVA, 2009).

    No chaveamento sob carga, ou seja, sob passagem de uma corrente eltrica de carga, o aparecimento do arco eltrico inevitvel, o qual precisa ser prontamente eliminado. O arco formado desta forma torna-se o meio de continuidade do circuito mencionado at que a corrente atinja seu ponto zero durante o ciclo senoidal.

    Como princpio bsico para a extino de um arco eltrico qualquer, necessrio que se provoque o seu alongamento por meios artificiais, reduza a sua temperatura e substitua o meio ionizado entre os contatos por um meio isolante eficiente que pode ser o ar, leo ou gs, o que permite, assim, classificar o tipo de meio extintor, consequentemente, as caractersticas construtivas do disjuntor (MAMEDE, 2007).

    Interrupo no ar sob condio de presso atmosfrica caracterstica de seccionadores tripolares que operam em carga e de disjuntores de baixa tenso. Utilizam processos de interrupo como alongamento e resfriamento do arco, alta velocidade de manobra e fracionamento do arco.

    Interrupo no leo consiste no processo do interruptor no interior de um recipiente que contm leo mineral. Na separao dos contatos, h a formao de um arco entre eles. Como o arco eltrico apresenta uma temperatura elevada, as primeiras camadas de leo que tocam o arco so decompostas e gaseificadas, resultando na liberao de certa quantidade de gases, compostos na sua maioria por hidrognio, associado a uma porcentagem de acetileno e metano. Os gases deslocam-se para a superfcie do leo e, nesta trajetria, levam consigo o prprio arco, que se alonga e resfria ainda nas imediaes dos contatos, extinguindo-se, em geral, logo na sua primeira passagem da corrente pelo zero natural.

  • 48

    Interrupo no gs hexafluoreto de enxofre (SF6) consiste na abertura do interruptor no interior do recipiente contendo este gs. O princpio bsico de interrupo em SF6 se fundamenta em sua capacidade de levar rapidamente a zero a condutibilidade eltrica do arco, absorvendo os eltrons livres na regio do mesmo, e de restabelecer com extrema velocidade a sua rigidez dieltrica aps cessados os fenmenos que motivaram a formao do arco.

    Interrupo no vcuo consiste na abertura dos contatos no interior de uma ampola onde se fez um elemento nvel de vcuo. Mediante a separao dos contatos, surge um arco entre eles de grande intensidade, acompanhado de certa quantidade de vapor metlico resultante de uma pequena decomposio dos contatos formando um plasma. Aps a extino do arco, restabelecida a rigidez dieltrica entre os contatos do disjuntor. A intensidade com que se forma o vapor metlico durante a disrupo do arco diretamente proporcional intensidade da corrente que interrompida. O arco no sofre nenhum processo de resfriamento durante a sua extino, o que diferencia substancialmente esse tipo de disjuntor de muitos outros (MAMEDE, 2007).

    A forma com que o disjuntor elimina o arco eltrico quem o qualifica e diferencia em trs tipos:

    Disjuntores a pequeno volume de leo (PVO); Disjuntores a vcuo; Disjuntores a SF6.

    4.3.2. Disjuntores a Pequeno Volume de leo

    Disjuntores a pequeno volume de leo (PVO) tm os contatos instalados no interior de cmaras de extino, individualmente separadas e montadas juntamente com a caixa do mecanismo de comando numa estrutura de cantoneiras de ferro. Os plos que contm a cmara de extino, os contatos fixos e mveis de abertura/fechamento e o lquido de extino do arco so os principais elementos do disjuntor. O leo utilizado nos disjuntores pode ser o parafnico ou naftnico. So disjuntores muito utilizados no mercado atual, sendo recomendados para instalaes onde a frequncia de chaveamento no seja intensa, sendo reservada somente s paralisaes temporrias para manuteno, por exemplo, e em atuaes de proteo contra falhas (MAMEDE, 2007).

  • 49

    Figura 4.8 - Disjuntor de MT com extino a PVO (Beghim, 2009)

    4.3.3. Disjuntores a Vcuo

    Disjuntores a vcuo so os que utilizam a cmara de vcuo como elemento de extino do arco. So especialmente utilizados em instalaes onde a frequncia de manobra relativamente intensa e tambm nas situaes onde aconselhvel o uso de disjuntores a leo. Para exemplificar, o seu uso bastante acentuado no circuito de transformadores de fornos a arco em virtude da grande frequncia de manobras, que pode chegar a 300 operaes mensais.

    Figura 4.9 - Disjuntor de MT com extino a vcuo com manobra lateral (Beghim, 2009)

  • 50

    Figura 4.10 - Disjuntor de MT com extino a vcuo com manobra frontal (Beghim, 2009)

    4.4. Pra-Raios a Resistor No-Linear

    As linhas de transmisso e redes areas de distribuio urbanas e rurais so vulnerveis s descargas atmosfricas que, em determinadas condies, podem provocar sobretenses elevadas no sistema (sobretenses de origem externa), ocasionando a queima de equipamentos, tanto os da companhia concessionria de energia eltrica como os do consumidor.

    Para que se protejam os sistemas eltricos dos surtos de tenso, que tambm podem ter origem durante manobras de chaves seccionadoras e disjuntores (sobretenses de origem interna) so instalados equipamentos apropriados que reduzem o nvel de sobretenso a valores compatveis com a suportabilidade desses sistemas. Esses equipamentos protetores contra sobretenses so denominados pra-raios.

    Os pra-raios so utilizados para proteger os diversos equipamentos que compem uma subestao de potncia ou simplesmente um nico transformador de distribuio instalado em poste. Os pra-raios limitam as sobretenses a um valor mximo. Este valor tomado como o nvel de proteo que o pra-raios oferece ao sistema.

    A proteo dos equipamentos eltricos contra as descargas atmosfricas obtida atravs de pra-raios que utilizam as propriedades na no-linearidade dos elementos de que so fabricados para conduzir as correntes de descarga associadas s tenses induzidas nas redes e

  • 51

    em seguida interrompem as correntes subsequentes, isto , aquelas que sucedem s correntes de descarga aps a sua conduo terra.

    Atualmente existem dois elementos de caractersticas no-lineares capazes de desempenhar as funes anteriormente mencionadas a partir dos quais so constitudos os pra-raios: carbonato de silcio e xido de zinco.

    Os pra-raios de carboneto de silcio so aqueles que utilizam como resistor no-linear o carboneto de silcio (SiC) e tm em srie com este um centelhador formado por vrios espaos vazios (gaps).

    O carboneto de silcio um material capaz de conduzir alta corrente de descarga com baixas tenses residuais, no entanto oferece uma alta impedncia corrente subsequente fornecida pelo sistema. Esse tipo de pra-raios s pode funcionar com a presena do centelhador srie, devido a sua caracterstica tenso x corrente.

    O referido pra-raio possui corpo de porcelana vitrificada de alta resistncia mecnica e dieltrica, dentro do qual esto alojados os principais elementos ativos do pra-raios.

    Seu centelhador srie constitudo de um ou mais espaadores entre eletrodos, dispostos em srie com os resistores no-lineares, e cuja finalidade assegurar, sob quaisquer condies, uma caracterstica de disrupo regular com uma rpida extino da corrente subsequente, fornecida pelo sistema.

    O desligador automtico constitudo de um elemento resistivo em srie com uma cpsula explosiva protegida por um corpo de baquilete. Sua principal utilidade desligar o pra-raios defeituoso da rede atravs da sua auto-exploso. Adicionalmente, serve como indicador visual de defeito do prprio pra-raios.

    Os pra-raios de xido de zinco so aqueles que utilizam o xido de zinco (ZnO) e, ao contrrio dos pra-raios de silcio, no possuem centelhadores srie.

    Assim como o SiC, o xido de zinco apresenta uma elevada capacidade de conduo de corrente de surto que resulta em baixas tenses durante a passagem da corrente de descarga, ao mesmo tempo que impede a passagem da corrente subsequente, fornecida pelo sistema.

    So construdos com corpo de porcelana ou polimrico. Este ltimo o que vem sendo mais utilizado por apresentar algumas vantagens, como, por exemplo, a sua aplicao em reas de elevada poluio e em casos de falha por excesso de energia, os blocos de ZnO de porcelana entram em decomposio liberando gases que elevam a presso interna at o

  • 52

    rompimento do corpo, expelindo fragmentos, ao contrrio do polimrico cujo risco de liberao de fragmentos para o ambiente remota (MAMEDE, 2007).

    Os pra-raios de xido de zinco apresentam uma srie de vantagens que justificam a sua maior utilizao em instalaes eltricas. Entre estas vantagens, as principais so:

    No existncia de corrente subsequente nos pra-raios a xido de zinco;

    Apresentam maior capacidade de absoro de energia;

    So dotados de um nvel de proteo melhor definido, o que resulta da margem de segurana do isolamento dos equipamentos;

    Por no possurem centelhadores, a curva de atuao dos pra-raios de ZnO no apresentam transitrios.

    Figura 4.12 - Pra-Raios de distribuio de MT (Balestro, 2009)

    4.5. Transformador de Corrente

    Os transformadores de corrente (TC) so equipamentos que permitem aos instrumentos de medio e proteo funcionarem adequadamente sem que seja necessrio possurem correntes nominais de acordo com a corrente de carga do circuito ao qual esto ligados. Eles convertem eletromagneticamente correntes elevadas que circulam no seu primrio em pequenas correntes secundrias, obedecendo a sua relao de transformao de corrente (RTC).

    Os transformadores de corrente devem ser especificados de acordo com a carga que ser ligada no seu secundrio.

  • 53

    Figura 4.13 - Transformador de corrente MT (Seedel, 2009)

    4.6. Transformador de Potencial

    Os transformadores de potencial (TP) so equipamentos que permitem aos instrumentos de medio e proteo funcionarem adequadamente sem que seja necessrio possurem tenso de isolamento de acordo com a rede qual esto ligados. So empregados indistintamente nos sistemas de proteo e medio de energia eltrica. Em geral, so instalados junto aos transformadores de corrente.

    Figura 4.14 - Transformador de potencial MT (Seedel, 2009)

  • 54

    4.7. Transformador de Potncia

    Transformador um equipamento de operao que por meio de induo eletromagntica transfere energia de um circuito primrio, para um ou mais circuitos denominados, respectivamente, secundrio e tercirio, sendo, no entanto, mantida a mesma frequncia, porm com tenses e correntes diferentes.

    Na sua concepo mais simples, um transformador constitudo de duas modalidades de enrolamentos: o enrolamento primrio, que recebe a energia do sistema supridor, e o enrolamento secundrio, que transfere esta energia para o sistema de distribuio, descontando as perdas internas referentes a esta transformao.

    Os transformadores so construdos com as mais diversas caractersticas que dependem do tipo de carga que se quer alimentar ou mesmo do ambiente onde se pretende instal-los.

    Os transformadores trifsicos, objeto deste estudo, podem ter seus enrolamentos ligados de trs diferentes maneiras, dependendo da convenincia do sistema em que sero aplicados.

    4.7.1. Ligao Tringulo

    aquela em que os terminais das bobinas so ligados entre si (um fim de uma bobina ao incio da outra) seguindo uma determinada lgica, permitindo a alimentao em cada ponto de ligao. A tenso aplicada entre dois quaisquer destes pontos chamada de tenso de linha, e a corrente que entra em quaisquer desses pontos chamada similarmente de corrente de linha. A corrente que circula em quaisquer das bobinas denominada corrente de fase. Nesse tipo de ligao tem-se:

    = (4.2) = 3 (4.3)

    Onde V a tenso de linha, I a corrente de linha, V a tenso de fase e I a corrente

    de fase.

  • 55

    Figura 4.15 Esquema de ligao das bobinas em tringulo

    4.7.2. Ligao Estrela

    aquela em que os terminais das bobinas so ligados a um ponto comum, podendo resultar esta ligao em trs ou quatro fios. A tenso aplicada entre dois quaisquer dos fios chamada de tenso de linha, e a corrente que circula em quaisquer destes fios chamada de corrente de linha. J a tenso medida entre o ponto comum e quaisquer dos fios denominada tenso de fase. Nesse tipo de ligao tem-se:

    = 3 (4.4) = (4.5)

    Onde: a tenso de linha;

    a corrente de linha;

    a tenso de fase;

    a corrente de fase.

    A ligao estrela comumente utilizada no secundrio dos transformadores de fora e distribuio, podendo, tambm, ser utilizada no primrio.

  • 56

    Figura 4.16 Esquema de ligao das bobinas em estrela

    Os transformadores so classificados quanto ao meio isolante em dois grandes grupos: Transformadores em lquido isolante e transformadores a seco.

    4.7.3. Transformadores em Lquido Isolante

    So utilizados em sistemas de distribuio e fora e em plantas industriais comuns. Existem trs tipos de lquidos que so usados em transformadores: leo mineral, silicone

    e ascarel. A utilizao do ascarel est proibida em territrio nacional por lei.

  • 57

    Figura 4.17 - Transformador de potncia com leo isolante (Comtrafo, 2009)

    4.7.4. Transformadores a Seco

    So de emprego mais especfico por tratar-se de um equipamento de custo mais elevado, comparativamente aos transformadores em lquido isolante.

    So empregados mais especificamente em instalaes onde os perigos de incndio so iminentes, tais como refinarias de petrleo, indstrias petroqumicas, grandes centros comerciais, em que a norma da concessionria local probe o uso de transformadores leo mineral, alm de outras instalaes que requeiram um nvel de segurana elevado contra exploses de inflamveis.

  • 58

    Figura 4.18 - Transformador de potncia com isolante a seco (Comtrafo, 2009)

    4.7.5. Aspectos Relevantes dos Transformadores

    4.7.5.1. Impedncia Percentual

    A impedncia percentual representa numericamente a impedncia do transformador em porcentagem da tenso de ensaio de curto-circuito, em relao tenso nominal. medida provocando-se um curto-circuito nos terminais secundrios e aplicando-se uma tenso nos terminais primrios que faa circular nesse enrolamento a corrente nominal.

    =

    100 (%) (4.6)

  • 59

    Onde:

    a tenso nominal de curto-circuito aplicada aos terminais do enrolamento

    primrio;

    a tenso nominal primria do transformador;

    a impedncia percentual ou tenso nominal de curto-circuito, em % da tenso

    nominal do transformador. Quando se diz que um transformador trifsico de 300 kVA 13,8 kV tem uma

    impedncia percentual de 4,5%, quer-se dizer que, provocando-se um curto-circuito nos seus terminais secundrios e aplicando nos terminais primrios uma tenso de 621 V, faz-se circular nos enrolamentos primrios e secundrios as respectivas correntes nominais que so

    de 12,5 A e 455,8 A. Logo, 4,5 a porcentagem da tenso primria de curto-circuito, V ! ,

    em relao a nominal, ou seja:

    =621

    13.800 100 (%) = 4,50 % (4.7)

    4.7.5.2. Corrente de Energizao

    Quando os terminais primrios de um transformador so ligados, surge no sistema uma elevada corrente circulante que pode ser igual prpria corrente de curto-circuito nos terminais primrios do equipamento. Em outras palavras, esta corrente, em mdia, cerca de oito vezes a corrente nominal do transformador em considerao (varia entre 5 e 20 vezes dependendo das caractersticas construtivas). O tempo de circulao desta corrente muito curto, porm deve ser levado em considerao na calibrao dos dispositivos de proteo, que devem sofrer um retardo no seu tempo de disparo para esta condio particular, que ser abordado no item 5.7.1.

    4.7.5.3. Gerao de Harmnicos

    Nos transformadores, os harmnicos so conseqncia da relao no-linear entre o fluxo de magnetizao e a corrente de excitao correspondente. Nestas condies so gerados a onda fundamental de frequncia industrial (60 Hz) e os vrios componentes

  • 60

    harmnicos de ordem mpar (3, 5, 7, etc.) destacando-se, pela importncia, o harmnico de terceira ordem, devido sua magnitude que cerca de 40% da onda fundamental.

    Os transformadores ligados em tringulo no primrio geram harmnicos de terceira ordem e seus mltiplos, independentemente de estarem operando em carga ou em vazio. As correntes harmnicas de terceira ordem esto em fase cuja soma nos pontos de conexo do tringulo com os terminais da rede nula e, portanto, no circulam nos condutores de alimentao do transformador. Neste caso, as correntes harmnicas circulam somente no interior do circuito em tringulo.

    Os transformadores ligados em estrela no aterrada no primrio no contribuem com tenses harmnicas, entre fases, de terceira ordem.

    Os transformadores com ligao em tringulo no primrio e estrela no aterrada no secundrio proporcionam, entre cada fase e neutro, uma pequena tenso harmnica de terceira ordem. No entanto, as tenses de terceira harmnica entre as fases secundrias so nulas.

    Os transformadores ligados em tringulo no primrio e estrela no aterrada no secundrio, tendo acoplado aos seus terminais uma carga conectada em tringulo, no permitem a circulao de correntes harmnicas no circuito compreendido entre o transformador e a carga.

    Os transformadores ligados em tringulo no primrio e estrela aterrada no secundrio, tendo acoplada aos seus terminais uma carga conectada em estrela, tambm aterrada, permitem a circulao de correntes harmnicas de terceira ordem. As correntes harmnicas nas trs fases so iguais e esto em fase.

    Os transformadores ligados em tringulo no primrio e tringulo no secundrio proporcionam a circulao de correntes harmnicas de terceira ordem no interior dos respectivos enrolamentos, no circulando nos circuitos primrios e nem nos secundrios.

    Os transformadores monofsicos ligados em banco na configurao de tringulo aberto podem sofrer uma elevao de tenso nos dois terminais no conectados, cujo valor igual soma dos harmnicos de terceira ordem correspondentes.

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    CAPTULO 5

    5. Proteo contra Sobrecorrentes

    Um sistema eltrico (SEL) est sujeito a faltas e variaes indesejadas durante sua operao normal. Esta anormalidade pode ter sua origem tanto dentro quanto fora do SEL em questo e, geralmente, se manifesta na forma de sobrecorrentes e ou sobretenses. Estas sobrecorrentes e sobretenses podem colocar em risco vidas e provocar danos aos equipamentos levando a paralisao total ou parcial do SEL. Dependendo da importncia e da potncia do SEL, o custo de interrupo de fornecimento de energia eltrica pode ser bastante elevado. Portanto, sempre deve existir um sistema de proteo operando em conjunto com o sistema eltrico principal.

    Em se tratando de equipamentos, a tecnologia vem evoluindo e produzindo equipamentos de melhor qualidade garantindo melhor desempenho aos esforos trmicos e dinmicos que as sobrecorrentes e sobretenses impem aos equipamentos. Contudo, desenvolver equipamentos totalmente imunes a estas anormalidades bem como duplicar equipamento para minimizar as interrupes eleva o custo ou at inviabiliza o investimento no SEL.

    Um sistema de proteo tem a funo bsica de isolar o mais rpido possvel um equipamento do sistema eltrico quando este tem um comportamento operacional anormal que pode colocar em risco vidas, prejudicar outros equipamentos ou, ainda, interferir na operao efetiva do resto do SEL. Outra funo do sistema de proteo possibilitar a localizao e identificao dos tipos de falha que ocorreu no sistema eltrico ajudando a reduzir o tempo de reparo do SEL.

    Este captulo tratar de conceitos e estratgias de como realizar a proteo de sistemas eltricos de potncia para consumidores finais que possuem uma subestao de at 5 MVA.

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    5.1. Conceitos Filosficos de Proteo

    A filosofia de proteo nada mais que dividir o SEL em regies (zonas) de modo a minimizar a quantidade de equipamentos desligados por uma falta, de forma confivel e de baixo custo financeiro.

    Alguns conceitos sero expostos a seguir:

    Confiabilidade;

    Velocidade;

    Seletividade;

    Economia.

    5.1.1. Aspecto da Confiabilidade

    Um sistema de proteo deve ser o mais confivel possvel, o que quer dizer que ele no pode falhar na ocorrncia de sobrecorrentes e sobretenses. Para tal, necessrio conhecer em detalhes as caractersticas eltricas da instalao alm de realizar testes detalhados de funcionamento do sistema de proteo na sua implantao.

    Conhecer as condies e acompanhar o desempenho dos equipamentos so itens importantes e devem estar listados no guia de manutenes peridicas da instalao correspondente, pois todo e qualquer equipamento de proteo passivo de defeito, seja de fabricao ou de funcionamento.

    Da observao de que todo equipamento passivo de defeito que surgiu o conceito de proteo retaguarda (backup). Este conceito ser apresentado no item 5.3.3.

    5.1.2. Aspecto de Velocidade

    A proteo de um SEL deve interromper a corrente de falta o mais rpido possvel, de forma a garantir que todos os componentes da instalao, operadores e pessoas prximas fiquem expostos as sobrecorrentes e sobretenses o mnimo de tempo possvel.

    Devem ser levados em conta os nveis de suportabilidade dos equipamentos protegidos.

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    5.1.3. Aspecto de Seletividade

    O sistema de proteo de um SEL em falta deve isolar os equipamentos ou circuitos defeituosos operando o menor nmero de equipamentos de proteo possvel, garantindo assim um menor nmero de equipamentos fora de servio. Os circuitos ou equipamentos que no estiverem com problema devem permanecer energizados.

    Para tanto, comumente utilizado retardos nos tempos de atuao de determinados equipamentos de proteo, garantindo assim a seletividade. Outra maneira a seletividade lgica, que somente possvel realizar em dispositivos digitais