Subestações Elétricas - Tipos, Equipamentos e Proteção

Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág1 Prof Paulo Duailibe Subestações Tipos Equipamentos e Proteção I CONCEITOS GERAIS 4 I1 DEFINIÇÃO BÁSICA DE UMA SUBESTAÇÃO 4 I2 CLASSIFICAÇÃO DAS SES 4 I3 PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS DE UMA SUBESTAÇÃO E SUAS FUNÇÕES 5 II SISTEMA DE SUPRIMENTO 7 III PRINCIPAIS ESQUEMAS DE SUBESTAÇÕES DE MÉDIA TENSÃO 8 III1 ENTRADA DIRETA 9 III2 BARRAMENTO SIMPLES 9 IV ESQUEMAS DE MANOBRA E ARRANJOS DE SES RECEPTORAS 14 IV1 ESQUEMAS DE MANOBRA DE SES RECEPTORAS 14 IV2 ARRANJOS FÍSICOS DE SES RECEPTORAS 14 IV21 ARRANJOS FÍSICO DAS SUBESTAÇÕES DE 138 KV 15 IV22 ARRANJO FÍSICO DE UMA SUBESTAÇÃO DE 69 KV 21 V TABELAS PARA PROJETO DE SUBESTAÇÕES 23 VI SELEÇÃO DE NÍVEIS DE TENSÃO DAS SUBESTAÇÕES 24 VII DEFINIÇÃO DA POTÊNCIA DAS SUBESTAÇÕES PARA INDÚSTRIAS 26 VII1 PEQUENO PORTE 26 VII2 GRANDE PORTE 28 VIII EQUIPAMENTOS TIPOS SELEÇÃO E DIMENSIONAMENTO 29 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág2 Prof Paulo Duailibe VIII1 TRANSFORMADORES DE FORÇA 29 VIII2 TRANSFORMADORES DE CORRENTE 30 VIII21 PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS 30 VIII22 PRINCIPAIS TIPOS CONSTRUTIVOS 31 VIII23 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS TCS 34 VIII24 DESIGNAÇÃO NORMATIVA DOS TCS 36 VIII25 DETERMINAÇÃO DA CORRENTE PRIMÁRIA NOMINAL DO TC 37 VIII3 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL 38 VIII31 PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS 39 VIII32 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS TPS 39 VIII33 DESIGNAÇÃO NORMATIVA DOS TPS 41 VIII34 GRUPOS DE LIGAÇÃO 41 VIII4 CHAVES SECIONADORAS 42 VIII41 TIPOS CONSTRUTIVOS 42 VIII42 TIPOS DE OPERAÇÃO E COMANDO 46 VIII5 DISJUNTORES 47 VIII51 DISJUNTORES A ÓLEO 49 VIII52 DISJUNTORES A AR COMPRIMIDO 49 VIII53 DISJUNTORES A SF6 51 VIII54 DISJUNTORES A VÁCUO 54 VIII6 PRINCIPAIS SISTEMAS DE ACIONAMENTO 55 VIII61 ACIONAMENTO POR SOLENÓIDE 56 VIII62 ACIONAMENTO A MOLA 56 VIII63 ACIONAMENTO A AR COMPRIMIDO 57 VIII64 ACIONAMENTO HIDRÁULICO 57 VIII7 PÁRARAIOS 58 VIII8 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DOS PÁRARAIOS 59 VIII81 PÁRARAIOS COM GAP E RESISTOR NÃO LINEAR 59 VIII82 PÁRARAIOS DE ÓXIDO DE ZINCO 59 VIII9 RECOMENDAÇÕES DE DISTÂNCIAS DE PÁRARAIOS 60 VIII10 RESISTORES DE ATERRAMENTO 61 VIII11 CURTOCIRCUITO EM SISTEMAS INDUSTRIAIS 63 VIII111 CORRENTES DE CUTOCIRCUITO 66 VIII12 EXEMPLO NUMÉRICO 73 IX PROTEÇÃO 77 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág3 Prof Paulo Duailibe IX1 PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES EM SUBESTAÇÕES 77 IX11 INTRODUÇÃO 77 IX12 ESQUEMAS DE PROTEÇÃO 79 IX13 DESCRIÇÃO DAS PRINCIPAIS PROTEÇÕES 82 IX14 TABELA DE CALIBRAÇÃO DO RELÉ PRIMÁRIO DE SE DE 138 KV EM FUNÇÃO DA DEMANDA 84 X BIBLIOGRAFIA 85 Subestações Tipos Equipamentos e Proteção I CONCEITOS GERAIS I1 Definição Básica de uma Subestação Uma subestação SE é um conjunto de equipamentos de manobra eou transformação e ainda eventualmente de compensação de reativos usado para dirigir o fluxo de energia em sistema de potência e possibilitar a sua diversificação através de rotas alternativas possuindo dispositivos de proteção capazes de detectar os diferentes tipo de faltas que ocorrem no sistema e de isolar os trechos onde estas faltas ocorrem I2 Classificação das SEs As subestações podem ser classificadas quanto à sua função e a sua instalação Função no sistema elétrico Subestação Transformadora É aquela que converte a tensão de suprimento para um nível diferente maior ou menor sendo designada respectivamente SE Transformadora Elevadora e SE Transformadora Abaixadora Geralmente uma subestação transformadora próximas aos centros de geração é uma SE elevadora Subestações no final de um sistema de transmissão próximas aos centros de carga ou de suprimento a uma indústria é uma SE transformadora abaixadora Subestação Seccionadora de Manobra ou de Chaveamento É aquela que interliga circuitos de suprimento sob o mesmo nível de tensão possibilitando a sua multiplicação É também adotada para possibilitar o seccionamento de circuitos permitindo sua energização em trechos sucessivos de menor comprimento Modo de instalação dos equipamentos em relação ao meio ambiente Subestação Externa ou Ao Tempo É aquela em que os equipamentos são instalados ao tempo e sujeitos portanto às condições atmosféricas desfavoráveis de temperatura chuva poluição vento etc as quais desgastam os materiais componentes exigindo portanto manutenção mais freqüente e reduzem a eficácia do isolamento Subestação Interna ou Abrigada É aquela em que os equipamentos são instalados ao abrigo do tempo podendo tal abrigo consistir de uma edificação e de uma câmara subterrânea Subestações abrigadas podem consistir de cubículos metálicos além de subestações isoladas a gás tal como o hexafluoreto de enxofre SF6 I3 Principais Equipamentos de uma Subestação e suas Funções Equipamentos de Transformação Transformador de força Transformadores de instrumentos transformadores de corrente e transformadores de potencial capacitivos ou indutivos Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág6 Prof Paulo Duailibe Sem os transformadores de força seria praticamente impossível o aproveitamento econômico da energia elétrica pois a partir deles foi possível a transmissão em tensões cada vez mais altas possibilitando grandes economias nas linhas de transmissão em trechos cada vez mais longos Já os transformadores de instrumentos TCs e TPs têm a finalidade de reduzir a corrente ou a tensão respectivamente a níveis compatíveis com os valores de suprimento de relés e medidores Equipamentos de Manobra Disjuntores Chaves seccionadoras Os disjuntores são os mais eficientes e mais complexos aparelhos de manobra em uso de redes elétricas destinados à operação em carga podendo sua operação ser manual ou automática As chaves seccionadoras são dispositivos destinados a isolar equipamentos ou zonas de barramento ou ainda trechos de linhas de transmissão Somente podem ser operadas sem carga muito embora possam ser operadas sob tensão Equipamentos para Compensação de Reativos Reator derivação ou série Capacitor derivação ou série Compensador síncrono Compensador estático Desses equipamentos o que é utilizados com mais freqüência nas SEs receptoras de pequeno e médio porte é o capacitor derivação Assim a Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág7 Prof Paulo Duailibe abordagem do curso se concentrará neste equipamento que tem por finalidade básica corrigir o fator de potência do sistema elétrico Equipamentos de Proteção PáraRaios Relés Fusíveis O páraraios é um dispositivo protetor que tem por finalidade limitar os valores dos surtos de tensão transitantes que de outra forma poderiam causar severos danos aos equipamentos elétricos Eles protegem o sistema contra descargas de origem atmosféricas e contra surtos de manobra Os relés têm por finalidade proteger o sistema contra faltas permitindo através da atuação sobre disjuntores o isolamento dos trechos de localização das faltas O fusível se destina a proteger o circuito contra curtos sendo também um limitador da corrente de curto Muito utilizado na indústria para a proteção de motores Equipamentos de Medição Constituem os instrumentos destinados a medir grandezas tais como corrente tensão freqüência potência ativa e reativa etc II SISTEMA DE SUPRIMENTO Em geral a alimentação de uma industria é de responsabilidade da concessionária de energia elétrica Assim o sistema de alimentação vai depender da disponibilidade das linhas de transmissão existentes na região do projeto Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág8 Prof Paulo Duailibe O sistema de suprimento mais utilizado na indústria de pequeno e médio porte é o radial simples mostrado esquematicamente na Figura 1 Barra SE Chave Seccionadora Disjuntor Trafo 1 Trafo 2 Linha de Distribuição SE Indústria Barra SE da Concessionária Figura 1 Sistema Radial Simples III PRINCIPAIS ESQUEMAS DE SUBESTAÇÕES DE MÉDIA TENSÃO Entre os vários esquemas de subestações de média tensão encontrados na prática podem ser destacados pela sua freqüência de utilização a entrada direta e o barramento simples descritos a seguir Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág9 Prof Paulo Duailibe III1 Entrada direta Em SEs receptoras com uma só entrada e um só transformador não é necessário barramento podendo ser prevista uma alimentação direta A Figura 2 mostra esquemas de subestações com entrada direta Figura 2 Entrada Direta III2 Barramento Simples Havendo mais de uma entrada eou mais de um transformador em SE receptora o barramento simples é o esquema de maior simplicidade e menor custo com confiabilidade compatível com este tipo de suprimento A seguir são apresentadas figuras com as principais variações encontradas em SEs de barramento simples Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág10 Prof Paulo Duailibe Figura A e B O defeito em qualquer transformador causa a abertura do disjuntor desligando por completo a SE cabe ao operador identificar a unidade afetada isolála através dos respectivos seccionadores e providenciar o religamento do disjuntor Figura C Este esquema utilizado em SEs de maior porte limita o desligamento ao transformador defeituoso introduzindo disjuntor individual para cada transformador O acréscimo de chaves de isolamento e de contorno by pass dá maior flexibilidade à operação às custas de maior complexidade nos circuitos de controle aumentando os intertravamentos e de proteção adicionando transferência de disparo no caso de contorno de um disjuntor A B Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág11 Prof Paulo Duailibe As figuras D E F e G apresentadas a seguir mostram esquemas para SEs com duas entrada radiais com um ou mais transformadores Figura D Este esquema só permite a alimentação da SE por uma entrada de cada vez mediante intertravamento adequado obrigando o desligamento momentâneo da carga quando for necessária a transferência de fonte C D Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág12 Prof Paulo Duailibe Figura E Se as entradas puderem ser ligadas em paralelo obtémse maior confiabilidade com o esquema E onde cada entrada sendo dotada de disjuntor próprio pode ser desligada em caso de falha independentemente de outra Neste caso os disjuntores não precisam de chave de contorno face a existência da segunda entrada Figuras F e G Havendo dois transformadores pode ser seccionada a barra para tornar a operação mais flexível F Se for necessário evitar a interrupção total do suprimento ao ser desligado um transformador instalase um disjuntor para seccionar a barra G E Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág13 Prof Paulo Duailibe As SEs receptoras destinadas às indústrias que aparecerem com maior freqüência são na faixa de tensão de 138 a 69 kV prevalecendo em sua grande maioria as SEs de pequeno porte 138 kV Assim serão enfatizados tanto os esquemas como o arranjo físico dessas SEs F G Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág14 Prof Paulo Duailibe IV ESQUEMAS DE MANOBRA E ARRANJOS DE SES RECEPTORAS IV1 Esquemas de Manobra de SEs Receptoras Os esquemas mais utilizados são os da figura A para as SEs de 138 kV e B para as SEs acima de 138 até 69 kV IV2 Arranjos Físicos de SEs Receptoras Neste item serão apresentados alguns dos principais arranjos utilizados nas SEs receptoras Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág15 Prof Paulo Duailibe IV21 Arranjos Físico das Subestações de 138 kV Os principais tipos de arranjos físicos característicos das subestações de 138 kV são SE Abrigada A Figura 3 apresenta um esquema típico de uma subestação abrigada em 138 kV Planta Baixa Corte AA Diagrama Unifilar Figura 3 SE Abrigada Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág16 Prof Paulo Duailibe SE Ao Tempo As Figuras 4 e 5 mostram alguns detalhes de SEs de 138 kV ao tempo Figura 4 Vista Geral de SE de 138 kV Ao Tempo Figura 5 Detalhe do Transformador SE de 138 kV Ao Tempo Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág17 Prof Paulo Duailibe SE SemiAbrigada A Figura 6 apresenta a planta baixa de uma SE semiabrigada de 138 416 kV A Figura 7 mostra um corte Figura 6 SE SemiAbrigada Planta Baixa SE 138 416 kV Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág18 Prof Paulo Duailibe Figura 7 SE SemiAbrigada Corte AA SE 138 416 kV Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág19 Prof Paulo Duailibe SE Blindada ao Tempo A Figura 8 apresenta uma SE blindada ao tempo Vista Frontal com Portas Externas Abertas Diagrama Unifilar Figura 8 SE Blindada ao Tempo SE Blindada Abrigada A Figura 9 mostra uma SE blindada abrigada Podese observar o transformador seguido de um disjuntor e TIs Legenda 1 Seccionador de entrada 2 Seccionador do disjuntor 3 Disjuntor Principal 4 Comando Auxiliar Geral 5 Conector de Ligação neutroterra 6 Bloqueio Elétrico 7 Caixa de Medição 8 Entrada dos Cabos 9 Saída dos Cabos Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág20 Prof Paulo Duailibe Vista Frontal Corte AA Corte BB Diagrama Unifilar Figura 9 SE Blindada Abrigada Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág21 Prof Paulo Duailibe IV22 Arranjo Físico de uma Subestação de 69 kV As Figuras 10 a 13 apresentam a vista geral e detalhes de equipamentos de uma SE de 69 kV Figura 10 Visão Geral SE 15 MVA 69 416 kV Figura 11 Detalhe de Disjuntor de 69 kV a PVO Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág22 Prof Paulo Duailibe Figura 12 Detalhe de TIs de SE de 69 kV Figura 13 Detalhe de um Transformador de uma SE de 69 kV Na Figura 14 pode ser vista uma chave seccionadora de 69 kV com dupla abertura lateral montada horizontalmente Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág23 Prof Paulo Duailibe Figura 14 Detalhe de Chave Seccionadora de uma SE de 69 kV V TABELAS PARA PROJETO DE SUBESTAÇÕES Serviço Interno Serviço Externo FaseFase mm FaseNeutro mm FaseFase mm FaseNeutro mm Mín Recomendado Mín Recomendado Mín Recomendado Mín Recomendado 150 200 115 150 170 300 130 200 Figura 15 Afastamento dos Barramentos de SE de 138 kV Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág24 Prof Paulo Duailibe Distâncias Mínimas m 2534 kV 69 kV 138 kV 230 kV Entre fases para barras rígidas 120 215 240 360 Entre fases para barras flexíveis 120 250 300 450 Entre fase e terra para barras rígidas 050 150 150 250 Entre fase e terra para barras flexíveis 050 200 220 340 Alturas mínima do solo das partes vivas 300 400 450 500 Altura mínima do solo das partes em tensão reduzida a zero porcelana isoladores etc 250 250 250 300 1 As chaves no barramento são consideradas como barras flexíveis 2 As distâncias faseterra de barras flexíveis são do ponto de flexa máxima ao solo Figura 16 Distâncias Mínimas Demanda kVA Tubo ou Barra Retangular de Cobre mm2 Fio Cobre Nu AWG Vergalhão de Cobre φ mm ATÉ 700 20 4 65 De 701 a 2500 50 85 Figura 17 Dimensionamento do Barramento de Alta Tensão de SE de 138 kV VI SELEÇÃO DE NÍVEIS DE TENSÃO DAS SUBESTAÇÕES Uma forma de estimar o nível da tensão de suprimento para instalações com potência acima de 1000 kW é através da seguinte fórmula P T 18 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág25 Prof Paulo Duailibe Onde T tensão kV P potência instalada MW É interessante ressaltar que esta é uma forma aproximada e a escolha definitiva do nível de tensão deve sempre submetida a uma análise das cargas por parte da concessionária Devese conhecer os níveis de tensão disponíveis no local de implantação do projeto e a partir daí verificar se as necessidades do projeto são atendidas Após a seleção da tensão de suprimento podese definir a tensão dos equipamentos No caso de motores é muito importante a escolha correta da tensão nominal em função da potência de forma a obter um equipamento mais econômico A tabela da apresenta uma relação tensão potência utilizada na prática Potência cv Tensão V Até 500 380 ou 440 500 1500 2300 1000 5000 4000 4000 6600 ou 13200 Figura 18 Escolha da Tensão Motores Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág26 Prof Paulo Duailibe VII DEFINIÇÃO DA POTÊNCIA DAS SUBESTAÇÕES PARA INDÚSTRIAS A seguir serão apresentados dois exemplos para definição da potência de SEs para indústrias VII1 Pequeno Porte Uma indústria contém 12 motores de 10 cv alimentados pelo CCM1 10 motores de 30 cv e 5 motores de 50 cv alimentados pelo CCM2 O QDL responsável pela iluminação da indústria alimenta 150 lâmpadas fluorescentes de 40 W e 52 incandescentes de 100 W Todas essas cargas são alimentadas pelo QGF que é suprido pelo transformador da subestação Determinar as demandas do CCM1 CCM2 QDL QDF e QGF e a potência necessária do transformador da subestação Sabese que todos os motores têm fator de potência 085 Obs Considerar as potências dos motores em cv já incluindo o rendimento do motor Potência dos Motores S10 cv 8 66 0 85 0 736 10 kVA S30 cv 2598 0 85 0 736 30 kVA S50 cv 4329 0 85 0 736 50 kVA Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág27 Prof Paulo Duailibe Demanda dos Quadros de Distribuição CCM1 DCCM1 N10 cv x S10 cv x FS Onde N número de motores FS fator de simultaneidade DCCM1 12 x 866 x 065 6755 kVA CCM2 DCCM2 N30 cv x S30 cv x FS N50 cv x S50 cv x FS DCCM2 10 x 2598 x 065 5 x 4329 x 07 32039 kVA QDL Perdas no reator nas lâmpadas de 40 W 20 W DQDL 150 x 40 20 52 x 100 142 kVA QGF DQGF DCCM1 DCCM2 DQDL DQGF 6755 32039 142 40214 kVA Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág28 Prof Paulo Duailibe Potência do Transformador Potência mais próxima padronizada 500 kVA Cálculo do Fator de Demanda Potência instalada 59434 14 2 0 85 0 736 5 50 30 10 12 10 kVA Fator de demanda 0 68 59434 40214 Número de Aparelhos Aparelhos 2 4 5 8 10 15 20 50 Motores ¾ a 25 cv 085 080 075 070 060 055 050 040 Motores 3 a 15 cv 085 080 075 075 070 065 055 045 Motores 20 a 40 cv 080 080 080 075 065 060 060 050 Acima de 40 cv 090 080 070 070 065 065 065 060 Retificadores 090 090 085 080 075 070 070 070 Soldadores 045 045 045 040 040 030 030 030 Fornos Resistivos 100 100 Fornos de Indução 100 100 VII2 Grande Porte Fator de Carga FC carga do trafo potência nominal do trafo FC máx 150 normalizado Potência nominal do trafo carga do trafo FC Considerações para o cálculo FC 100 fator de segurança 125 x carga Carga Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág29 Prof Paulo Duailibe Dois motores de 355 kW 78881 kVA Um motor de 710 kW 78881 kVA Um motor de 1500 kW 16665 kVA Partida de um motor de 1500 kW 5 x 16665 kVA 83325 kVA Carga Total 115766 kVA Estimando potência em transformador de 10000 kVA FC 1157662 kVA 10000 kVA 115766 11576 Para fator de segurança de 25 Carga 1157662 x 125 1447077 kVA FC 1447 dentro da norma VIII EQUIPAMENTOS TIPOS SELEÇÃO E DIMENSIONAMENTO VIII1 Transformadores de Força Os transformadores de força são classificados segundo o seu meio isolante podendo ser a óleo mineral a líquidos isolantes sintéticos pouco inflamáveis silicone e secos O óleo mineral derivado do petróleo e os líquidos isolantes sintéticos usados em transformadores possuem duas funções principais isolar evitando a formação de arco entre dois condutores que apresentem uma diferença de potencial e resfriar dissipando o calor originado da operação do equipamento Os transformadores secos utilizam o ar circulante como meio isolante e refrigerante possuindo isolamento classe B classe F ou classe H Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág30 Prof Paulo Duailibe VIII2 Transformadores de Corrente O transformador de corrente TC é um transformador para instrumento cujo enrolamento primário é ligado em série a um circuito elétrico e cujo enrolamento secundário se destina a alimentar bobinas de correntes de instrumentos elétricos de medição e proteção ou controle VIII21 Princípios Fundamentais A Figura 19 mostra o esquema básico de um TC Figura 19 Esquema Básico de um TC O enrolamento primário dos TCs é normalmente constituído de poucas espiras 2 ou 3 espiras por exemplo feitas de condutores de cobre de grande seção N1I1 N2I2 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág31 Prof Paulo Duailibe VIII22 Principais Tipos Construtivos Os transformadores de corrente classificados de acordo com a sua construção mecânica são os seguintes Tipo Primário Enrolado TC cujo enrolamento primário constiuído de uma ou mais espiras envolve mecanicamente o núcleo do transformador O TC tipo primário enrolado é mais utilizado para serviços de medição mas pode ser usado para serviços de proteção onde pequenas relações são requeridas A Figura 20 mostra este tipo de TC Figura 20 TC Tipo Enrolado Tipo Barra TC cujo primário é constituído por uma barra montada permanentemente através do núcleo do transformador Este TC é adequada para resistir aos esforços de grandes sobrecorrentes A Figura 21 mostra o esquema básico de um TC tipo barra Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág32 Prof Paulo Duailibe Figura 21 TC Tipo Barra Tipo Janela É aquele que não possui primário próprio e é constituído de uma abertura através do núcleo por onde passa o condutor do circuito primário A Figura 22 mostra este tipo de TC Figura 22 TC Tipo Janela Tipo Bucha Tipo especial de TC tipo janela é construído e projetado para ser onstalado sobre uma bucha de um equipamento elétrico fazendo parte integrante do fornecimento deste Pelo seu tipo de construção e instalação o circuito magnético dos TCs tipo bucha é maior que nos outros TCs sendo mais precisos para corrente altas pois possuem menor saturação Em baixas correntes são menos precisos Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág33 Prof Paulo Duailibe em virtude da maior corrente de excitação razão pela qual não são usados para medição A Figura 23 mostra este tipo de TC Figura 23 TC Tipo Bucha Tipo Núcleo Dividido Este tipo possui o enrolamento secundário completamente isolado e permanentemente montado no núcleo mas não possui enrolamento primário Parte do núcleo é separável ou articulada para permitir o enlaçamento do condutor primário Destinase ao uso em circuito constituído de condutor completamente isolado ou um condutor nu Um tipo muito difundido de TC com núcleo dividido é o amperímetro alicate A Figura 24 mostra o esquema básico de um TC de núcleo dividido Figura 24 TC de Núcleo Dividido VIII23 Principais Características Elétricas dos TCs As principais características dos TCs são Corrente Secundária Nominal Padronizada em 5 A Corrente Primária Nominal Caracteriza o valor nominal suportado em regime normal de operação pelo TC Sua especificação deve considerar a corrente máxima do circuito em que o TC está inserido e os valores de curtocircuito Classe de Exatidão Valor máximo do erro do TC expresso em percentagem que poderá ser causado pelo TC aos instrumentos a ele conectados A tabela da mostra as classes padronizadas Figura 25 Classes de Exatidão A Classe de exatidão do TC para medição com finalidade de faturamento a consumidor 03 ver tabela da Figura 26 TCs Alimentando Instrumentos Classe de Exatidão Recomendada Aceitável Medidores 03 06 Indicadores 06 12 Figura 26 TCs Alimentando Instrumentos Carga Nominal Carga na qual se baseiam os requisitos de exatidão do TC A tabela da Figura 27 mostra a designação da carga nominal dos TCs segundo a ABNT EB2512 Designação da Carga Resistência Ω Reatância Ω Potência Aparente VA Fator de Potência Impedância Ω C 25 009 00436 25 090 01 C 50 018 00872 50 090 02 C 125 045 02180 125 090 05 C 250 050 08661 250 050 10 C 500 100 17321 500 050 20 C 1000 200 34642 1000 050 40 C 2000 400 69283 2000 050 80 Figura 27 Carga Nominal EB2512 Fator Térmico Fator pelo qual devese multiplicar a corrente primária nominal para se obter a corrente primária máxima que o TC é capaz de conduzir em regime permanente sob frequência nominal sem exceder os limites de elevação de temperatura especificados e sem sai de sua classe de exatidão Nível de Isolamento Define a especificação do TC quanto às condições que deve satisfazer a sua isolação em termos de tensão suportável Corrente Térmica Nominal Maior corrente primária que um TC é capaz de suportar durante 1 segundo com o enrolamento secundário curtocircuitado sem exceder em qualquer enrolamento a temperatura máxima especificada para sua classe de isolamento Iterm INI do disjuntor Corrente Dinâmica Nominal Valor de crista da corrente primária que um TC é capaz de suportar durante o primeiro meio ciclo com o enrolamento secundário curtocircuitado sem danos devido às forças eletromagnéticas resultantes É igual a 25 vezes o valor da corrente térmica nominal Polaridade Normalmente é utilizada a polaridade subtrativa VIII24 Designação Normativa dos TCs TCs para Serviço de Medição A designação dos TCs de acordo com a ABNT é feita indicando a classe de exatidão seguida da carga nominal com a qual se verifica esta exatidão Exemplos 06 C500 03 C25 A designação de acordo com a ANSI é feita indicando a classe de exatidão seguida da letra B e da impedância da carga nominal com a qual se verifica esta exatidão Exemplos 06B 20 03B 01 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág37 Prof Paulo Duailibe TCs para Serviço de Proteção A designação dos TCs de acordo com a ABNT e ANSI é feita de acordo com a tabela da Figura 28 Características Nominais Designação ANSI C5713 ABNT EB 2512 Impedância Secundária Interna Classe de Exatidão Potência Aparente VA Tensão Secundária V Rev 1968 Ver 1980 10 25 10 T 10 10A 10 10 50 20 T 20 10A 20 10 125 50 T 50 10A 50 10 250 100 T 100 10A 100 10 500 200 T 200 10A 200 10 1000 400 T 400 10A 400 Alta 10 2000 800 T 800 10A 800 10 25 10 C 10 10B 10 10 50 20 C 20 10B 20 10 125 50 C 50 10B 50 10 250 100 C 100 10B 100 10 500 200 C 200 10B 200 10 1000 400 C 400 10B 400 Baixa 10 2000 800 C 800 10B 800 Figura 28 TCs para Serviço de Proteção VIII25 Determinação da Corrente Primária Nominal do TC Por recomendação do IEEE a relação ideal do TC é a que atende a condição 4 A corrente que circula do primário do TC k 3 A Onde k é a relação de transformação nominal do TC ou seja A I k N 5 1 resultando Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág38 Prof Paulo Duailibe Além disso Função da Capacidade Dinâmica 1 1 b I I M N Função da Capacidade Térmica 2 1 b I I IN N Sendo IN1 Corrente nominal primária do TC IM Corrente momentânea do disjuntor do sistema ou ramal elétrico b1 Coeficiente do limite de corrente de curta duração para efeito mecânico IIN Corrente de interrupção nominaldo disjuntor do sistema ou ramal elétrico b2 Coeficiente do limite de corrente de curta duração para efeito térmico VIII3 Transformadores de Potencial O transformador de potencial TP é um transformador para instrumento cujo enrolamento primário é ligado em derivação a um circuito elétrico e cujo enrolamento secundário se destina a alimentar bobinas de potencial de instrumentos elétricos de medição e proteção ou controle 166 x Corrente que circula no primário Corrente Primária Nominal do TC 125 x Corrente que circula no primário VIII31 Princípios Fundamentais A Figura 29 apresenta o esquema básico de ligação de um TP Figura 29 Transformador de Potencial O TP é construído com N1 N2 VIII32 Principais Características dos TPs As principais características dos TPs são Tensão Primária Nominal Estabelecida de acordo com a tensão do circuito no qual o TP será instalado Tensão Secundária Nominal É padronizada em 115 V ou 1153 V Classe de Exatidão Valor máximo do erro expresso em percentagem que poderá ser causado pelo transformador aos instrumentos a ele conectados ver tabela da Figura 30 TPs Alimentando Instrumentos Classe de Exatidão Recomendada Aceitável Medidores Indicadores 03 06 06 12 Figura 30 Classe de Exatidão Carga Nominal Carga na qual se baseiam os requisitos de exatidão do TP A tabela da Figura 31 apresenta a designação segundo a ABNT e a ANSI Designação ABNT Designação ANSI P 125 W P 25 X P 75 Y P 200 Z P 400 ZZ Figura 31 Carga Nominal Exemplo Um relé de consumo 20 VAfase a 110 V é aplicado a um TP com tensão secundária de 120 V O valor corrigido será VA V I V VZ V2Z V2R 20 1102R R 110220 VAnovo 12021102 20 20 12021102 238 VA Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág40 Prof Paulo Duailibe Potência Térmica Maior potência aparente que um TP pode fornecer em regime permanente sob tensão e frequências nominais sem exceder os limites de temperatura permitidos pela sua classe de isolamento Nível de Isolamento Define a especificação do TP quanto à sua isolação em termos de tensão suportável VIII33 Designação Normativa dos TPs A designação correta dos TPs é feita indicandose a classe de exatidão separada por um hífen do valor da maior carga nominal com a qual esta se verifica Exemplos 06 P400 ABNT 06 ZZ ANSI 12 P25 ABNT 12 X ANSI VIII34 Grupos de Ligação De acordo com a ABNT os TPs classificamse em três grupos Grupo 1 TP projetado para ligação entre fases Grupo 2 TP projetado para ligação entre fase e neutro de sistemas diretamente aterrados Grupo 3 TP projetado para ligação entre fase e neutro de sistema onde não se garanta a eficácia da aterramento Definise um sistema trifásico com neutro efetivamente aterrado como sendo um sistema caracterizado por um fator de aterramento que não exceda 80 Esta condição é obtida quando X0X1 3 e RoX1 1 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág41 Prof Paulo Duailibe Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág42 Prof Paulo Duailibe VIII4 Chaves Secionadoras As chaves secionadoras são dispositivos destinados a isolar equipamentos ou zonas de barramentos ou ainda trechos de LTs VIII41 Tipos Construtivos Os tipos construtivos de chaves estão definidos em diversas normas É apresentada a seguir a classificação segundo as normas ANSI definidas com relação ao tipo de abertura ou ao modo de operação ou ainda ao meio de movimentação do contato móvel Abertura Vertical Tipo A A chave é composta por três colunas de isoladores fixados sobre uma única base O movimento de abertura ou fechamento do contato móvel lâmina dá se num plano que contém o eixo longitudinal da base e é perpendicular ao plano de montagem da mesma Devido a essa forma construtiva a distância entre fases pode ser reduzida ao mínimo permitido As chaves de abertura vertical Figura 32 podem ter montagem horizontal vertical ou invertida sendo aplicadas para isolar equipamentos e circuitos para desvio bypass ou como chave seletora Figura 32 Abertura Vertical Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág43 Prof Paulo Duailibe Dupla Abertura Lateral Tipo B Essa chave é composta por três colunas de isoladores fixadas sobe uma base única sendo a coluna central eqüidistante das duas colunas externas O movimento de abertura ou fechamento do contato móvel dáse num plano paralelo ao plano de montagem da base através da rotação da coluna central As chaves com dupla abertura lateral Figura 33 podem ter montagem horizontal vertical ou invertida sendo aplicadas para isolar equipamentos e circuitos para desvio bypass ou como chave seletora Figura 33 Dupla Abertura Lateral Basculante 3 colunas Tipo C A chave é composta por três colunas de isoladores ligadas a uma base única sendo as duas colunas extremas fixas suportando os terminais e a interior móvel Esta última apresenta movimento de rotação em torno do ponto de fixação à base e carrega o contato móvel em seu topo Podem ter montagem horizontal vertical ou invertida sendo aplicadas para isolar equipamentos e circuitos para desvio bypass ou como chave seletora Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág44 Prof Paulo Duailibe Abertura Lateral Tipo D A chave é composta por duas colunas de isoladores ligadas a uma única base sendo o contato fixo suportado por uma coluna fixa e o contato móvel por uma coluna rotativa O movimento de abertura ou fechamento da lâmina dáse em um plano paralelo ao plano de montagem da chave As chaves de abertura lateral Figura 34 podem ter montagem horizontal vertical ou invertida sendo aplicadas para isolar equipamentos e circuitos para desvios ou como chave seletora Figura 34 Abertura Lateral Abertura Central Tipo E A chave seccionadora com abertura central Figura 35 é composta por duas colunas de isoladores ambas rotativas e ligadas a uma única base O movimento de abertura e fechamento da lâmina é seccionada em duas partes fixadas ao topo das colunas rotativas ficando o contato macho na extremidade de uma das partes da lâmina e a fêmea na outra Esse tipo de chave tem montagem horizontal ou vertical sendo aplicada para isolar equipamentos e circuitos para desvio ou como chave seletora Figura 35 Abertura Central Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág45 Prof Paulo Duailibe Basculante 2 Colunas Tipo F Esta é composta por duas colunas de isoladores ligadas a uma única base sendo uma delas fixa e suporte para o conato fixo e a outra móvel e suporte para o contato móvel O movimento da coluna móvel é de rotação ao redor do ponto de fixação à base Aterramento Tipo G A chave de aterramento é composta por uma coluna de isoladores fixa em cujo topo encontramse os contatos fixos e a lâmina fecha paralela à coluna de isoladores Podem ter montagem horizontal vertical ou invertida Operação por Vara de Manobra Tipo H A chave é composta por duas colunas de isoladores fixas A abertura ou fechamento da lâmina dáse através de engate da vara de manobra a um gancho ou olhal apropriado Sua montagem pode ser vertical ou invertida Fechamento ou Alcance vertical Tipo J Também chamado de chave vertical reversa Figura 36 este tipo de chave é composto por duas ou três colunas de isoladores O movimento de abertura ou fechamento da lâmina dáse num plano perpendicular ao plano de montagem da base na qual estão fixadas as duas colunas de isoladores uma rotativa e outra fixa Existem duas possibilidades de montagem dos contatos fixos em coluna de isoladores invertida ou diretamente no barramento Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág46 Prof Paulo Duailibe Entre as chaves com fechamento vertical podese incluir as chaves pantográfica e semipantográfica Este tipo de chave tem montagem horizontal A Figura 36 mostra alguns exemplos Figura 36 Fechamento ou Alcance Vertical VIII42 Tipos de Operação e Comando Operação em Grupo Os pólos da seccionadora são interligados mecanicamente através de hastes ou cabos e são operados simultaneamente As chaves de operação em grupo podem ter ainda comando direto e indireto No primeiro caso o movimento é transmitido às colunas rotativas através de um dos próprios pólos Já no caso de comando indireto o movimento é transmitido através de rolamentos auxiliares denominados bases de comando Operação Monopolar Os pólos são comandados individualmente sem interligação mecânica entre eles A operação monopolar também pode ser direta ou indireta Comando Manual O comando manual pode ser realizado com ou sem o auxílio de redutores Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág47 Prof Paulo Duailibe Comando Motorizado Os comandos motorizados podem ser realizados através de motores elétricos acionadores hidráulicos pneumáticos etc A seguir apresentase a tabela Figura 37 para dimensionamento da chave fusível para SE de 138 kV em função da demanda Demanda kVA Elo Fusível Chave A ATÉ 15 1 H 50 ATÉ 30 2 H 50 ATÉ 45 3 H 50 ATÉ 75 5 H 100 ATÉ 1125 6 K 100 ATÉ 150 8 K 100 ATÉ 225 12 K 100 ATÉ 300 15 K 100 ATÉ 500 25 K 100 ATÉ 750 40 K 100 ATÉ 1000 50 K 100 ATÉ 1500 80 K 100 ATÉ 2000 100 K 200 ATÉ 2500 140 H 200 Figura 37 Dimensionamento dos Elos Fusíveis Primários para SEs de 138 kV VIII5 Disjuntores Os disjuntores são ao principais equipamentos de segurança bem como os mais eficientes dispositivos de manobra em uso nas redes elétricas Possuem Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág48 Prof Paulo Duailibe capacidade de fechamento e abertura que deve atender a todos os pré requisitos de manobra sob condições normais e anormais de operação Além dos estados estacionários fechado e aberto definese ambos os estados transitórios da manobra de fechamento ligamento e da manobra de abertura desligamento No estado ligado ou fechado o disjuntor deve suportar a corrente nominal da linha sem ultrapassar os limites de temperatura permitidos No estado desligado ou aberto a distância de isolamento entre contatos deve suportar a tensão de operação bem como as sobretensões internas devidas a surtos de manobra ou descargas atmosféricas Quanto à manobra de fechamento o disjuntor deve no caso de curtocircuito atingir corretamente sua posição de fechado e conduzir a corrente de curto circuito No caso de abertura o disjuntor deve dominar todos os casos de manobra possíveis na rede na qual está instalado É importante lembrar que disjuntores freqüentemente instalados ao tempo permanecem meses a fio no estado estacionário ligado conduzindo a corrente nominal sob condições climáticas as mais variáveis proporcionando às vezes variações de temperatura de várias dezenas de grau agentes atmosféricos agressivos a vários de seus componentes e outras condições adversas Após todo esse tempo de inatividade operacional mecânica o disjuntor deve estar pronto para interromper correntes de curtocircuito sem o menor desvio das especificações É fácil perceber então que uma confiabilidade total é exigida dos disjuntores de potência e deve ser conseqüência de um projeto racional e um controle de qualidade extremamente rigoroso que vai desde a relação de matérias primas passando pela revisão de entrada ensaio de materiais controle dos processos de fabricação ensaios de subconjuntos até os ensaios finais Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág49 Prof Paulo Duailibe VIII51 Disjuntores a Óleo Os disjuntores a óleo estão basicamente divididos em disjuntores de grande volume de óleo GVO e de pequeno volume de óleo PVO No caso do GVO de pequena capacidade as fases ficam imersas em um único recipiente contendo óleo que é usado tanto para a interrupção das correntes quanto para prover o isolamento Nos disjuntores de maior capacidade o encapsulamento é monofásico Já no PVO foi projetado uma câmara de extinção com fluxo forçado sobre o arco aumentando a eficiência do processo de interrupção da corrente diminuindo drasticamente o volume de óleo no disjuntor A maior vantagem dos disjuntores de grande volume de óleo sobre os de pequeno volume de óleo é a grande capacidade de ruptira em curtocircuito em tensões de 138 kV Mesmo assim este tipo de disjuntor está caindo em desuso O princípio de extinção do arco nos disjuntores a óleo é baseado na decomposição das moléculas de óleo pela altíssima temperatura do arco Essa decomposição resulta na produção de gases principalmente hidrogênio sendo a quantidade de gás liberada dependente da magnitude da corrente e da duração do arco O gás liberado desempenha duas funções em primeiro lugar ele tem um efeito refrigerante muito acentuado e em segundo lugar ele causa um aumento de pressão em torno do arco determinando uma elevação do gradiente de tensão necessário à sua manutenção VIII52 Disjuntores a Ar comprimido Nos disjuntores de ar comprimido a extinção do arco é obtida a partir da admissão nas câmaras de ar comprimido armazenado num reservatório pressurizado que soprando sobre a região entre os contatos determina o Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág50 Prof Paulo Duailibe resfriamento do arco e sua compressão A reignição do arco em seguida à ocorrência de um zero de corrente é prevenida pela exaustão dos produtos ionizados do arco da região entre os contatos pelo sopro de ar comprimido A intensidade e a rapidez do sopro de ar garantem o sucesso dos disjuntores nas corridas energética liberação x absorção de energia e dielétrica tensão de restabelecimento x suportabilidade dielétrica Os tipos originais de disjuntor a ar comprimido possuíam uma chave isoladora em série com as câmaras de interrupção Após um tempo pré determinado para permitir a extinção do arco a chave isoladora era aberta o ar comprimido das câmaras era liberado para a atmosfera e os contatos do interruptor fechavam pela pressão das molas O fechamento do circuito era sempre feito pela chave isoladora com os contatos das câmaras de interrupção fechados A posição aberta ou fechada dos disjuntores era facilmente reconhecível a partir da observação da posição da chave isoladora Nos tipos modernos de disjuntores as câmaras são permanentemente pressurizadas com ar a aproximadamente 25 30 bars enquanto que nos reservatórios de ar comprimido a pressão é de 150 200 bars Para a interrupção do arco abremse ao mesmo tempo as válvulas de sopro e de exaustão em cada câmara de maneira a ventilar a região entre os contatos Após o fim do movimento do contato móvel que ocorre num tempo pré determinado para permitir a extinção dos arcos as válvulas se fecham deixando o disjuntor aberto com as câmaras cheias de ar comprimido à pressão de serviço livre de produtos ionizados Na operação de fechamento as válvulas de sopro e exaustão podem ser abertas ligeiramente para ventilar a região entre contatos impedindo a contaminação da câmara por resíduos provenientes da vaporização de material de contatos A operação dos disjuntores de ar comprimido sempre produz um grande ruído causado pela exaustão do ar para a atmosfera Uma redução do nível de ruído produzido é conseguida através de silenciadores Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág51 Prof Paulo Duailibe Os disjuntores a ar comprimido podem possuir compressores individuais ou trabalhar ligados a uma central de ar comprimido Como a operação dos disjuntores pode ser perigosa quando a pressão de ar comprimido cai abaixo de determinado nível estes são providos de dispositivos para impedir seu fechamento ou sua abertura sob pressões inferiores a níveis préfixados Podese dispor também de dispositivos para abrir os disjuntores quando a pressão chegar a um nível perigoso mas ainda superior àquele em que a abertura seja proibida Devido a estas características é prática de muitos clientes exigir que os disjuntores que operam com sistemas de ar comprimido central possuam reservatórios individuais air receivers com capacidade suficiente para realizar um ciclo completo OCOCO sem necessidade de receber reforço de ar comprimido do sistema central e sem que a pressão caia a níveis perigosos Um reservatório central deve também ser capaz de garantir a repressurização de todos os reservatórios individuais após uma operação OCO simultânea num intervalo de tempo usualmente fixado em dois minutos VIII53 Disjuntores a SF6 Embora o hexafluoreto de enxofre SF6 tenha sido sintetizado pela primeira vez em 1904 somente nos anos 30 a partir da observação de suas excepcionais propriedades dielétricas o novo gás encontrou uma limitada aplicação como meio isolante em transformadores O SF6 é um dos gases mais pesados conhecidos peso molecular 146 sendo cinco vezes mais pesado que o ar À pressão atmosférica o gás apresenta uma rigidez dielétrica 25 vezes superior à do ar A rigidez dielétrica aumenta rapidamente com a pressão equiparandose à de um óleo isolante de boa qualidade à pressão de 2 bars A contaminação do SF6 pelo ar não altera substancialmente as propriedades dielétricas do gás um teor de 20 de ar resulta numa redução de apenas 5 da rigidez dielétrica do gás Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág52 Prof Paulo Duailibe Somente no final dos anos 40 teve início o desenvolvimento de disjuntores e chaves de abertura em carga a SF6 com base em experimentos em que as excepcionais qualidades do gás como meio interruptor de arcos elétricos foram comprovadas Essas qualidades derivam do fato de que o hexafluoreto de enxofre ser um gás eletronegativo possuindo portanto uma afinidade pela captura de elétrons livres o que dá lugar à formação de íons negativos de reduzida mobilidade Essa propriedade determina uma rápida remoção dos elétrons presentes no plasma de um arco estabelecido no SF6 aumentando assim a taxa de decremento da condutância do arco quando a corrente se aproxima de zero O SF6 é um gás excepcionalmente estável e inerte não apresentando sinais de mudança química para temperaturas em que os óleos empregados em disjuntores começam a se oxidar e decompor Na presença de arcos elétricos sofre lenta decomposição produzindo fluoretos de ordem mais baixa como SF2 e SF4 que embora tóxicos recombinamse para formar produtos não tóxicos imediatamente após a extinção do arco Os principais produtos tóxicos estáveis são certos fluoretos metálicos que se depositam sob a forma de um pó branco e que podem ser absorvidos por filtros de alumina ativada Os primeiros disjuntores de hexafluoreto de enxofre eram do tipo dupla pressão baseados no funcionamento dos disjuntores a ar comprimido O SF6 era armazenado num recipiente de alta pressão aproximadamente 16 bars e liberado sobre a região entre os contatos do disjuntor A principal diferença com relação aos disjuntores a ar comprimido consistia no fato de o hexafluoreto de enxofre não ser descarregado para a atmosfera após atravessar as câmaras de interrupção e sim para um tanque com SF6 a baixa pressão aproximadamente 3 bars Assim o gás a alta pressão era utilizado para interrupção do arco e o SF6 a baixa pressão servia à manutenção do isolamento entre as partes energizadas e a terra Após a interrupção o gás descarregado no tanque de baixa pressão era bombeado novamente para o Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág53 Prof Paulo Duailibe reservatório de alta pressão passando por filtro de alumina ativada para remoção de produtos da decomposição do SF6 A principais desvantagens dos disjuntores a SF6 a dupla pressão eram a baixa confiabilidade dos compressores de gás e a tendência do hexafluoreto de enxofre a liqüefazerse à temperatura ambiente quando comprimido a temperatura de liquefação do gás a 16 bars é 10 oC o que tornava necessário instalar aquecedores no reservatório de alta pressão com conseqüente aumento da complicação e redução da confiabilidade Essas desvantagens levaram ao desenvolvimento do disjuntor tipo puffer que será descrito a seguir atualmente adotado pela maioria dos fabricantes de disjuntores a SF6 Os disjuntores tipo puffer ou do tipo impulso são também denominados de pressão única porque o SF6 permanece no disjuntor durante a maior parte do tempo a uma pressão constante de 3 a 6 bars servindo aos isolamento entre as partes com potenciais diferentes A pressão necessária à extinção do arco é produzida em cada câmara por um dispositivo tipo puffer formado por um pistão e um cilindro em que um desses dois elementos ao se movimentar desloca consigo o contato móvel e comprime o gás existente no interior do cilindro A compressão do SF6 por esse processo produz pressões da ordem de 2 a 6 vezes a pressão original e no intervalo entre a separação dos contatos e o fim do movimento do gás assim comprimido é forçado a fluir entre os contatos e através de uma ou duas passagens nozzles extinguindo o arco de forma semelhante ao dos disjuntores de dupla pressão O disjuntores de pressão única são de projeto mais simples que o de dupla pressão e dispensam a instalação de aquecedores para impedir a liquefação do SF6 sendo consequentemente mais econômicos e mais confiáveis O desenvolvimento e a difusão dos disjuntores a SF6 estão ligados aos desenvolvimentos das técnicas de selagem dos recipientes e detecção de vazamentos de gás Os projetos ocorridos nesses terrenos já permitem Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág54 Prof Paulo Duailibe reduzir o escape de SF6 nos disjuntores a níveis inferiores a 1 por ano Os avanços tecnológicos têm permitido aos disjuntores a SF6 tornaremse crescentemente competitivos em relação aos tipo a ar comprimido e PVO sendo provável que em futuro próximo esses disjuntores ocupem uma posição dominante no mercado pelo menos para certas faixas de tensão Da mesma forma que nos disjuntores a ar comprimido os disjuntores a SF6 devem ser providos de dispositivos para indicar a ocorrência de pressões inferiores a determinados níveis mínimos e intertravamentos para impedir sua operação em condições perigosas de super pressão Uma outra aplicação do SF6 é o isolamento de subestações blindadas que permite considerável redução da área ocupada A instalação de uma subestação blindada pode ser determinada pela inexistência de área suficientemente ampla em um centro urbano ou pelo elevado custo do solo nesta região Numa subestação blindada todas as partes energizadas são protegidas por uma blindagem metálica que conterá os disjuntores chaves TCs TPs barramentos etc As partes energizadas são isoladas da blindagem por isoladores de resina sintética ou outro material adequado e SF6 à pressão de cerca de 3 bars Válvulas especiais permitem detectar o escapamento do gás e possibilita efetuar manutenção dos equipamentos sem necessidade de remover grandes quantidades de gás Alarmes e intertravamentos garantem a segurança em caso de vazamento de SF6 VIII54 Disjuntores a Vácuo Apesar do crescente uso de disjuntores a vácuo para baixas e médias tensões aparentemente apenas um fabricante vem oferecendo comercialmente disjuntores a vácuo de alta tensão e mesmo assim os tipos disponíveis não excedem 145 kV Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág55 Prof Paulo Duailibe Nos disjuntores a vácuo o arco que se forma entre os contatos é bastante diferente dos arcos em outros tipos de disjuntor sendo basicamente mantido por íons de material metálico vaporizado proveniente dos contatos catodo A intensidade da formação desses vapores metálicos é diretamente proporcional à intensidade da corrente e consequentemente o plasma diminui quando esta decresce e se aproxima do zero Atingindo o zero de corrente o intervalo entre os contatos é rapidamente desionizado pela condensação dos vapores metálicos sobre os eletrodos A ausência de íons após a interrupção dá aos disjuntores a vácuo características quase ideais de suportabilidade dielétrica Apesar das suas vantagens o desenvolvimento dos disjuntores a vácuo para altas tensões permanece na dependência de avanços tecnológicos que permitam compatibilizar em termos econômicos o aumento das tensões e correntes nominais das câmaras a vácuo e a redução de seus volumes e pesos VIII6 Principais Sistemas de Acionamento O sistema de acionamento de um disjuntor é o subconjunto que possibilita o armazenamento de energia necessária à sua operação mecânica bem como a necessária liberação desta energia através de mecanismos apropriados quando do comando de abertura e fechamento do mesmo Dentro de cada categoria existe uma variação imensa de detalhes construtivos característicos de cada fabricante Os acionamentos podem ser monopolares ou tripolares No primeiro caso a atuação dos mesmos se faz diretamente em cada pólo permitindo a manobra individual de cada um deles Isso torna o acionamento mais complexo e caro pois na realidade são três acionamentos um para cada pólo Este tipo é Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág56 Prof Paulo Duailibe usado quando se necessita de religamentos monopolares no caso de faltas monofásicas Nos acionamentos tripolares a operação é centralizada em uma unidade e transmitida aos três pólos do disjuntor simultaneamente via acoplamento mecânico hidráulico ou pneumático Neste caso só é possível ter religamentos tripolares A seguir estão relacionados os principais sistemas de acionamento VIII61 Acionamento por Solenóide Neste sistema uma bobina solenóide que na maioria dos tipos de acionamento é usada somente para disparo é utilizada diretamente para acionar os contatos na operação de fechamento e também para carregar a mola de abertura Aliás este é um princípio comum a todos os acionamentos pois o disjuntor na condição fechado deverá estar sempre com energia armazenada para a operação de abertura Este tipo de acionamento não é muito utilizado pois tem capacidade de armazenamento de energia limitada VIII62 Acionamento a Mola Para este caso a energia para o fechamento é acumulada em uma mola As mola são carregadas através de motores os quais podem ser de corrente contínua ou alternada Podese ter também o acionamento manual Quando o mecanismo de disparo é acionado a mola é destravada acionando os contatos do disjuntor fechandoo acontecendo nesta operação o carregamento simultâneo da mola de abertura Cada fabricante tem seu próprio arranjo para este tipo de acionamento entretanto o princípio de funcionamento aqui descrito é comum a todos eles O acionamento a mola é muito difundido para disjuntores de média tensão até 38 kV e alta tensão 69 a 138 kV em grande volume de óleo pequeno volume de óleo sopro magnético a vácuo e a SF6 podendo ser tripolar ou monopolar Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág57 Prof Paulo Duailibe Neste tipo de acionamento a caixa que abriga o mecanismo abriga também o bloco de comando ou seja acionamento e unidade de comando estão num mesmo subconjunto principal o que é uma característica mais ou menos constante em disjuntores de média tensão O sistema de acionamento a mola tem funcionamento simples dispensando qualquer supervisão tornandoo ideal para média tensão No entanto deve se ter em mente que a ausência de supervisão se por um lado simplifica e barateia o disjuntor por outro não permite que se tenha controle das partes vitais do acionamento de maneira a se prever qualquer falha na operação que neste caso ocorreria de forma totalmente imprevista Em sistema onde haja sucessivos religamentos sua aplicação se torna difícil já que há um limite no acúmulo de energia VIII63 Acionamento a Ar Comprimido O acionamento a ar comprimido consiste em armazenar a energia necessária à operação do disjuntor em recipientes de ar comprimido a qual é liberada através de disparadores atuando sobre válvulas que acionam os mecanismos dos contatos via êmbolos solidários ou através de conexões pneumáticas Este tipo de acionamento é utilizado para disjuntores de média alta tensões e é a solução natural para disjuntores que usam o ar comprimido como meio extintor embora também seja usado para disjuntores a óleo e SF6 VIII64 Acionamento Hidráulico Neste tipo de acionamento a energia necessária para a operação do disjuntor é armazenada em um acumulador hidráulico que vem a ser um cilindro com êmbolo estanque tendo de um lado o óleo ligado aos circuitos de alta e baixa pressão através da bomba hidráulica e de outro um volume Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág58 Prof Paulo Duailibe reservado a uma quantidade prefixada de N2 Em algumas execuções o N2 pode estar contido em uma membrana de elastômero A bomba hidráulica de alta pressão comprime o óleo e consequentemente o N2 até que seja atingida a pressão de serviço aproximadamente 320 bar Através de disparadores de abertura ou fechamento são acionadas as válvulas de comando que ligam o circuito de óleo com o êmbolo principal de acionamento A característica principal deste tipo de acionamento é a sua grande capacidade de armazenamento de energia aliada às suas reduzidas dimensões o que é conseguido através da pressão de operação que é da ordem de 320 atm Além disso sem a necessidade de ser mudar a configuração básica do acionamento ou seja dos blocos das válvulas de comando e dos êmbolos podese aumentar a capacidade do mesmo aumentandose o volume de nitrogênio Isto é particularmente importante para disjuntores a SF6 em EAT com resistores de abertura ou fechamento e de abertura rápida 2 ciclos ou no caso em que o usuário tem exigências específicas com relação à seqüência de operação VIII7 PáraRaios O páraraios é um dispositivos protetor que tem por finalidade limitar os valores dos surtos de tensão transitante que de outra forma poderiam causar severos danos aos equipamentos elétricos Para um dado valor de sobretensão o páraraios que antes funcionava como um isolador passa a ser condutor e descarrega parte da corrente para a terra reduzindo a crista da onda a um valor que depende das características do referido páraraios Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág59 Prof Paulo Duailibe A tensão máxima à freqüência nominal do sistema a que o páraraios poderá ser submetido sem que se processe a descarga da corrente elétrica através do mesmo é denominada de tensão disruptiva à freqüência nominal VIII8 Características Construtivas dos PáraRaios VIII81 PáraRaios com Gap e Resistor Não Linear Estes páraraios são constituídos basicamente de um gap em série com um resistor não linear colocados no interior de um invólucro de porcelana O gap é o elemento que separa eletricamente a rede dos resistores não lineares Constituise de um conjunto de subgaps cuja finalidade é a de fracionar o arco em um número de pedaços a fim de poder exercer um melhor controle sobre ele no momento de sua formação durante o processo de descarga e na sua extinção Nos páraraios convencionais o resistor não linear é fabricado basicamente com o carbonato de silício Com este material podese observar que por ocasião de tensões baixas temse uma resistência elevada e com tensões elevadas uma resistência baixa VIII82 PáraRaios de Óxido de Zinco O páraraios de óxido de zinco constituise basicamente do elemento não linear colocado no interior de um corpo de porcelana Neste páraraios não são necessários os gaps em série devido às excelentes características não lineares do óxido de zinco Os páraraios de óxido de zinco apresentam vantagens sobre os páraraios convencionais entre as quais podem ser citadas Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág60 Prof Paulo Duailibe 1 Inexistência de gaps gaps estão sujeitos a variações na tensão de descarga de um páraraios que não esteja adequadamente selado além de que um número elevado de partes no gap aumenta a possibilidade de falhas 2 Inconvenientes apresentados pelas características não lineares do carbonato de silício 3 Páraraios convencionais absorvem mais quantidade de energia do que o páraraios de óxido de zinco o que permite a este último absorção durante um maior número de ciclos VIII9 Recomendações de Distâncias de PáraRaios As seguintes tabelas mostram a distância máxima entre o transformador e o páraraios Distância ft Classe de Tensão do Transformador kV NBI kV Neutro não aterrado ou resistência de aterramento PR 100 Neutro efetivamente aterrado PR 80 25 150 25 70 345 200 25 70 46 250 25 70 69 350 30 75 72 450 30 75 115 550 30 85 138 650 35 95 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág61 Prof Paulo Duailibe Tensão Nominal kV NBI Trafo kV PáraRaios kV Distância ft 345 200 37 60 345 200 30 90 69 350 60 135 155 69 350 73 75 95 138 550 121 90 115 138 650 145 120 155 Tensão Nominal Distância entre PáraRaios e Terra m kV Sistema Efetivamente Aterrado Sistema Isolado 345 274 183 69 411 229 138 427 274 VIII10 Resistores de Aterramento Com a finalidade de limitar a corrente de curtocircuito é comum colocar um resistor ou um reator entre o neutro e a terra Nos geradores o neutro em geral é aterrado através de resistores ou bobinas de indutância A maioria dos neutros dos transformadores em sistemas de transmissão acima de 70 kV são solidamente aterrados abaixo dessa tensão os neutros dos transformadores podem ser ligados diretamente à terra ou através de resistências ou de reatâncias indutivas Em SEs industriais o neutro do transformador é solidamente aterrado quando seu secundário for em baixa tensão Entretanto quando o secundário for em média tensão 24 a 15 kV é comum aterrar o neutro do transformador Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág62 Prof Paulo Duailibe através de resistor de aterramento obtendose assim algumas vantagens para o sistema tais como 1 A corrente de curtocircuito entre fase e terra é de valor moderado porém suficiente para sensibilizar os relés de terra 2 Segregação automática dos circuitos sujeitos a curtoscircuitos para terra atuação mais rápida do relé de terra 3 Facilidade de localização dos curtoscircuitos faseterra desde que sejam usados relés de terra adequados 4 O custo de manutenção é praticamente igual ao sistema solidamente aterrado porém os danos nos motores ligados ao sistema são bastante reduzidos 5 Controla a valores moderados as sobretensões devido à ressonância LC e curtoscircuitos intermitentes A seguir apresentase um método de aterramento do neutro de transformadores normalmente encontrado nas plantas industriais Sistemas até 600 V Solidamente aterrado Sistemas de 24 a 138 kV Resistor de aterramento namaioria dos casos e solidamente aterrado em poucos casos Sistemas acima de 22 kV Inclusive Solidamente aterrado Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág63 Prof Paulo Duailibe VIII11 CurtoCircuito em Sistemas Industriais Num sistema industrial é necessário o cálculo de curtocircuito com a finalidade de dimensionalo adequadamente para que tenha condições de suportar as solicitações impostas durante o curtocircuito e protegelo devidamente contra tal ocorrência Os componentes do sistema tais como chaves seccionadoras disjuntores TCs condutores devem ser dimensionados para suportarem aos esforços térmicos e mecânicos decorrentes da ocorrência do curtocircuito Quando se deseja analisar o comportamento de um sistema em condições de carga ou durante a ocorrência de um curtocircuito o diagrama unifilar deve ser transformado num diagrama de impedância Sendo a corrente de magnetização de um transformador normalmente insignificante se comparada com a corrente de plena carga a admitância em paralelo não é colocada no circuito equivalente do transformador A resistência pode ser omitida nos cálculos de faltas Nos elementos principais como geradores e transformadores a reatância é normalmente pelo menos cinco vezes maior que a resistência X 5R A corrente de curtocircuito calculada desprezandose a resistência dos elementos principais introduz um certo erro porém os resultados serão satisfatório desde que a reatância indutiva do sistema seja muito maior que sua resistência o que normalmente acontece Este erro está a favor da segurança Cargas que não envolvam máquinas girantes têm pequena influência na corrente total durante a ocorrência de uma falta sendo freqüentemente omitidas Cargas constituídas por motores síncronos no entanto são sempre incluídas no cálculo de faltas uma vez que as FEMs nelas geradas contribuem para a corrente de curtocircuito Os motores de indução também Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág64 Prof Paulo Duailibe devem ser representados para se calcular a corrente imediatamente após a ocorrência de uma falta Esses motores podem ser ignorados no calculo da corrente uns ciclos após a ocorrência da falta porque a contribuição de corrente feita pelo motor de indução cessa logo após o curtocircuito do motor Assim a corrente de curtocircuito que circula entre as fontes e o ponto de curto é limitada apenas pela impedância entre as fontes e o ponto de defeito M Figura 38 Diagrama Unifilar e Diagrama de Impedâncias Quando a resistência e a reatância de um dispositivo forem dadas pelo fabricante em percentagem ou em pu subentendese que as bases são os kVA e os kV nominais do dispositivo As concessionárias de energia elétrica fornecem tabelas contendo as correntes de curtocircuito Iccconc que podem ocorrer em pontos de ligação dos seus sistemas Normalmente as tabelas fornecem os MVAccconc sendo MVAccconc 3 kVnominal Iccconc 103 1 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág65 Prof Paulo Duailibe Desprezandose a resistência e a capacitância em paralelo o circuito equivalente monofásico de Thévenin que representa o sistema consta de uma FEM igual à tensão nominal de linha dividida por 3 em série com uma reatância indutiva de conc no min al th Icc kV X 3 1000 Ω 2 Tirando Iccconc da equação 1 e substituindo na equação 2 temse conc no min al th MVAcc kV X 2 Ω 3 Se a base em kV for igual aos kVnominais convertendo em pu obtémse conc base th MVAcc MVA X pu 4 Se o sistema de potência externo for grande em comparação com o industrial as perturbações no interior da indústria não afetam a tensão no ponto de conexão Nesse caso o sistema externo é considerado uma barra infinita sendo representado por uma fonte de tensão constante sem impedância interna Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág66 Prof Paulo Duailibe VIII111 CORRENTES DE CUTOCIRCUITO A escolha por exemplo de um disjuntor para um circuito de potência depende não só da corrente que ele deverá conduzir em condições de operação como também da máxima corrente que esse disjuntor deve suportar momentaneamente e da corrente que possa ter que interromper na tensão da linha na qual está colocado Portanto é sempre necessário determinar o valor inicial da corrente quando ocorre uma falta no sistema de modo a escolher um disjuntor com capacidade suficiente de suportar esta carga momentânea A fim de abordar o problema do cálculo da corrente inicial que circula quando um alternador é curtocircuitado considere o que ocorre quando uma tensão CA é aplicada a um circuito com valores constantes de resistência e indutância Seja Vm seno ωt α a tensão aplicada onde t0 por ocasião da aplicação da tensão Então α determina o módulo da tensão quando se fecha o circuito Se a tensão instantânea for zero e estiver aumentando no sentido positivo quando é aplicada pelo fechamento da chave α será zero Se a tensão estiver no seu máximo positivo α será igual a π2 A equação diferencial é IVmI senoωtα Ri L didt cuja solução será sen e sen t Z V i Rt L m α θ ω α θ Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág67 Prof Paulo Duailibe O 1o termo da equação varia senoidalmente com o tempo o 2o não é periódico e decresce exponencialmente com uma constante de tempo LR sendo chamado de componente CC da corrente Figura 39 Componentes de corrente contínua e alternada no início de um curtocircuito Assim quando ocorre um curtocircuito em um sistema de potência a corrente resultante é composta de duas componentes uma componente simétrica CA determinada pelo valor da tensão da fonte e pela impedância RjX da rede e uma componente de corrente contínua CC cujo valor inicial e taxa de decréscimo são determinados em função do instante de ocorrência do curto na onda de tensão do valor da tensão da fonte e da relação XR da rede A assimetria da corrente resultante de curtocircuito decorre da presença da componente CC O valor da componente CC pode variar desde zero até um valor igual ao valor de pico da componente simétrica de corrente alternada O valor inicial da componente CC é igual ao valor da componente simétrica de corrente alternada no instante que ocorre o curtocircuito Num sistema teórico em que R0 a componente CC permaneceria com valor constante Entretanto num sistema prático em que a resistência está presente a componente CC decai até zero de acordo com a energia armazenada e representa a perda de energia sob forma de I2R na resistência do sistema Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág68 Prof Paulo Duailibe O efeito deste decréscimo é que a corrente de curtocircuito cai gradualmente desde o valor assimétrico até o valor simétrico da corrente de curtocircuito em relação ao ponto zero da tensão Existem dois fatores que fazem com que o valor inicial da corrente de curto circuito seja maior que em regime permanente Um destes fatores é a reatância variável das máquinas rotativas que como visto anteriormente é levada em consideração no cálculo da corrente de curtocircuito O segundo fator é a assimetria também já abordado em função do decréscimo da componente de CC A Figura 40 apresenta o comportamento da corrente de curtocircuito excluindo a componente CC Figura 40 Corrente de Curto sem a Componente CC Onde oa valor máximo da corrente de curtocircuito permanente 2 I oa Valor eficaz da corrente de curtocircuito em regime permanente Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág69 Prof Paulo Duailibe I E X g d Reatância síncrona do eixo direto Eg tensão em vazio do alternador 2 I ob Valor eficaz da corrente transitória g d I E X Reatância transitória do eixo direto 2 I oc Valor eficaz da corrente subtransitória g d I E X Reatância subtransitória do eixo direto A corrente subtransitória Ι é muitas vezes chamada de corrente eficaz simétrica inicial porque contém a idéia de desprezar a componente CC Inserindo a componente CC da corrente a corrente em função do tempo para uma falta ficaria assim Figura 41 Amortecimento da Corrente Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág70 Prof Paulo Duailibe Ιk corrente inicial subtransitória de curto circuito Ιcc corrente inicial subtransitória de curtocircuito incluindo a componente CC Concluindo o exposto relacionase a seguir as correntes e reatância de um estudo de curtocircuito IΙI corrente de regime permanente valor eficaz IΙI corrente transitória valor eficaz excluindo a componente CC IΙI corrente subtransitória valor eficaz excluindo a componente CC Xd reatância síncrona do eixo direto limita a corrente no primeiro ciclo após a ocorrência do curto Xd reatância transitória do eixo direto limita a corrente até 2 segundos após a ocorrência do curto Xd reatância subtransitória do eixo direto limita a corrente após estabelecido o regime permanente de curto Como já foi visto a corrente subtransitória é a corrente eficaz simétrica inicial e não inclui a componente contínua da corrente de falta transitória O cálculo exato do valor eficaz da corrente de falta num sistema de potência é demasiadamente complicado métodos aproximados são mais práticos e dão resultados suficientemente precisos O método recomendado pelo AIEE SWITCHGEAR COMMITTEE leva em conta a componente CC pela aplicação de um fator de multiplicação à corrente eficaz simétrica calculada Os fatores de multiplicação recomendados para o cálculo da corrente momentânea são Tensões 5 kV 16 600V Tensões 5 kV 15 Tensões 600V 125 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág71 Prof Paulo Duailibe Os fatores de multiplicação recomendados para determinar a corrente nominal de interrupção do disjuntor são Disjuntores de 8 ciclos ou mais lentos 10 Disjuntores de 5 ciclos 11 Disjuntores de 3 ciclos 12 Disjuntores de 2 ciclos 14 Se os disjuntores estiverem na barra do gerador e a potência trifásica for superior a 500000 kVA os fatores dados anteriormente devem ser acrescido de 01 cada Os disjuntores a ar abaixo de 600 V são considerados de abertura instantânea e suas correntes momentâneas e de interrupção têm o mesmo valor No caso de chaves seccionadoras os valores de corrente de curtocircuito que devem ser especificados são os seguintes Corrente Suportável Nominal de Curta Duração Segundo a ABNTIEC valor eficaz da corrente que a chave pode conduzir por um período especificado de tempo 1 s ou 3 s Segundo a ANSI valor eficaz da corrente total componente CA simétrica componente CC que a chave pode conduzir por um pequeno intervalo de tempo Valor de Crista Nominal da Corrente Suportável de Curta Duração Segundo ABNTIEC valor de crista da corrente que a chave pode conduzir sem deterioração de seu material Os valores padronizados desta corrente em kA crista são 25 vezes a corrente nominal de curta duração Corrente Momentânea Segundo ANSI Valor eficaz da corrente total no máximo ciclo que a chave pode conduzir pelo menos durante um ciclo A seguir são apresentadas as equações de conversão e as fórmulas a serem utilizadas no cálculo da corrente de curtocircuito Xpu X100 Xpu Ω kVAbase 1000 kV2 Ω MVA kV2 Xpu Xpu kVAbase kVAequipamento Onde Ω reatância por fase MVA kVAbase potência trifásica kV tensão fasefase Potência de curto simétrico Sbase Xpu Corrente de curto simétrico Sbase 3 V Xpu Onde Sbase potência base em kVA V tensão entre fases em kV MVA kVAbase potência trifásica kV tensão fasefase Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág72 Prof Paulo Duailibe Reatância da Concessionária Como já foi visto a concessionária deverá informar a potência máxima de curtocircuito trifásico na entrada da SE receptora Entretanto a reatância da concessionária neste ponto referida a sua própria potência base é 10 pu Para referila a potência base escolhida basta fazer Xconc 10 Sbase Sccconc Onde Sccconc potência de curto da concessíonária Xconc reatância da concessionária Sbase potência base VIII12 Exemplo Numérico A Figura 42 apresenta o diagrama unifilar simplificado de uma SE de 69 kV O conjunto de relés apresenta carga total de 85 VA localizados a 40 m do TC e serão ligados ao secundário deste através de condutor de seção 6 mm² com 10 Ωkm de resistência admitir cos φ 08 para carga de relé e TC de baixa impedância interna Especificar o TC e o disjuntor 521 considerando que a corrente de linha chegará a 350 A Dados Coeficiente de limite de corrente de curta duração para efeito mecânico 300 Coeficiente de limite de corrente de curta duração para efeito térmico 120 Corrente de curtocircuito subtransitória Ik3 215 kA rms Corrente de curtocircuito de regime permanente Ik3 209 kA rms Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág74 Prof Paulo Duailibe Obs Corrente de interrupção nominal do disjuntor 521 Ik3 52 1 M Relés 1 Figura 42 Diagrama Unifilar 1 Dimensionamento do TC Corrente Nominal Primária do TC 166 x 350 A I1 125 x 350 A 581 A I1 4375 A Pela tabela da ABNT I1 500 A Capacidade Térmica k3 IN 2 IN 1 I I b I I 174 120 20900 I1 A Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág75 Prof Paulo Duailibe I1 500 A 174 A atende Capacidade Dinâmica 1 mom 1 b I I 162 300 215 61 2 I1 A I1 500 A 162 A atende Então adoto TC 5005 A It 120 I1 Id 300 I1 Carga Nominal Condutores P RI2 Ω 0 4 40 1000 10 R P 04 x 52 10 W Considerando 2 condutores P 2 x 10 20 W Pela tabela o TC imediatamente superior é o C200 cos ϕ 05 Polaridade subtrativa Impedância Interna Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág76 Prof Paulo Duailibe S ZI2 Ω 8 5 200 I S Z 2 2 Tensão Secundária V 20 x I2 x Z V 20 x 5 A x 8 Ω 800 V Designação ABNT 10B800 ANSI C800 2 Dimensionamento do Disjuntor 521 I 350 A Imom 2 x 16 x 215 49 kA IIN 209 kA Pela tabela da ABNT temse Inominal 1200 A Especificação Corrente nominal 1200 A Corrente de interrupção nominal 315 kA rms Corrente momentânea 78 kA pico Tensão nominal 69 kV Classe de tensão 725 kV Tipo do disjunto PVO Acionamento mola motorizada Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág77 Prof Paulo Duailibe IX PROTEÇÃO A elaboração de um esquema de proteção envolve várias etapas desde o estabelecimento de uma estratégia de proteção selecionando os respectivos dispositivos de atuação até a determinação dos valores adequados para a calibração dos relés Basicamente em um sistema encontramse os seguintes tipos de proteção Proteção contra incêndio Proteção por relés e fusíveis Proteção contra descargas atmosféricas e surtos de manobra IX1 Proteção de Transformadores em Subestações IX11 Introdução Ao contrário dos múltiplos tipos de defeitos suscetíveis de aparecer nas máquinas rotativas os transformadores podem estar sujeitos apenas aos seguintes defeitos Curtoscircuitos nos enrolamentos Sobreaquecimento Realmente a construção dos transformadores atingiu um nível técnico tão elevado que os mesmos podem ser considerados entre os elementos que apresentam maior segurança de serviço Até a proteção térmica mesmo em subestação sem operador normalmente só controla alarmes ou bancos de ventiladores Assim o que deve preocupar basicamente é a proteção contra curtocircuito interno e a proteção de retaguarda contra faltas externas Os curtos resultam Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág78 Prof Paulo Duailibe de defeitos de isolamento que por sua vez são constituídos por sobretensão de origem atmosférica ou de manobras e por sobreaquecimento inadmissível dos enrolamentos As sobrecargas repetitivas permanentes ou temporárias conduzem a um envelhecimento prematuro dos isolantes dos enrolamentos Com isso acabam ocorrendo rupturas destes isolamentos ocasionando curtoscircuitos entre as espiras Podese então dividir a proteção de transformadores da seguinte forma Proteção contra CurtoCircuito Interno Para grandes transformadores Proteção diferencial Proteção Buchholz Para pequenas unidades e transformadores de média potência com alimentação unilateral Proteção através de relés de sobrecorrente temporizados eou por fusíveis Relés térmicos e imagens térmicas constituem a proteção contra sobrecarga Proteção de Retaguarda Relés de sobrecorrente eou fusíveis Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág79 Prof Paulo Duailibe IX12 Esquemas de Proteção A seguir serão apresentados esquemas típicos de proteção de transformadores de acordo com o nível de tensão 1 Primário a 15 kV e secundário em baixa tensão para S 225 kVA e 225kVA S 1000 kVA Figura 43 Esquemas de Proteção 15 kV Nota 1 Os alarmes são opcionais sendo recomendados para S 500 kVA Nota 2 A proteção com relé primário pode ser utilizada em transformadores com potência acima de 1000 kVA onde não se deseja uma proteção mais sofisticada sem alarme e sempre verificando o limite de fabricação desses relés Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág80 Prof Paulo Duailibe 2 Primário 15 kV e secundário em média tensão e S 1000 kVA Figura 44 Esquema de Proteção Acima de 15 kV Funções dos Relés 1 Relé de Gás Buchholz transformador com conservador Função ASA 63 TR 500 kVA 2 Relé de Temperatura do Óleo Função ASA 26 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág81 Prof Paulo Duailibe Exemplo de aplicação Dois pares de contatos Faixa de ajuste 55 a 100 oC Alarme para óleo a 75 oC Desligamento da fonte para óleo a 85 oC Obs O desligamento da fonte é opcional 3 Temperatura do Enrolamento Imagem Térmica Função ASA 49 Utilização TR 2500 kVA Exemplo de aplicação Dois pares de contatos ajustáveis entre 80 e 115 oC Alarme a 80 oC Desligamento da fonte a 95 oC Liga ventiladores se houver a 75 oC Liga bomba de óleo a 80 oC TR 7500 kVA 4 Relé de Sobrecorrente Função ASA 51 5 Relé Diferencial Função ASA 87 Recomendável para TR 1000 kVA Econômico para TR 5000 kVA Devido ao custo elevado recomendase para TR 7500 kVA Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág82 Prof Paulo Duailibe 6 Relé de Nível de Óleo Função ASA 71 Alarme de nível mínimo IX13 Descrição das Principais Proteções Proteção Diferencial Percentual ASA 87 É capaz não só de eliminar todos os tipos de curtoscircuitos internos como também os defeitos devidos a arcos nas buchas Nessa montagem diferencial comparase as correntes na entrada e na saída do elemento protegido sendo que o relé diferencial opera quando é percorrido por uma corrente diferença entre a entrada e a saída que ultrapassa certo valor ajustado e denominado corrente diferencial No caso de transformadores aparecem outras correntes diferenciais que não são originadas por defeito devidas principalmente à Corrente de magnetização inicial Erros próprios dos TCs colocados em cada lado do transformador Erros no ajuste da relações de transformação dos TCs Etc Proteção de Sobrecorrente ASA 51 Em transformadores de média e pequena potência nos quais a importância econômica é menor a proteção contra curtocircuito ou de retaguarda para faltas externas é feita através de relés de sobrecorrente primários ou secundários no lugar de relés diferenciais Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág83 Prof Paulo Duailibe Proteção por meio de Relés de Pressão eou Gás ASA 63 O relé de pressão é destinado a responder rapidamente a um aumento anormal na pressão do óleo do transformador devido ao arco resultante de uma falta interna Tal relé é insensível às lentas mudanças causadas por exemplo pela variação de carga Constituem assim valiosa suplementação aos relés diferenciais ou de sobrecorrente para falta no interior do tanque O relé buchholz é uma combinação do relé de pressão com o relé detetor de gás Desligamento Remoto Quando uma linha de transmissão alimenta um único banco de transformadores é prática freqüente omitirse o disjuntor do lado de alta tensão por motivo de economia Fazse então um desligamento remoto sobre o disjuntor do início da linha de forma que em caso de defeito a proteção do banco atua sobre o disjuntor do lado de menor tensão e sobre a chave de aterramento rápido ou através de onda portadora para disparo de disjuntor remoto Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág84 Prof Paulo Duailibe IX14 Tabela de Calibração do Relé Primário de SE de 138 kV em Função da Demanda Demanda kVA Corrente de Ajuste A Demanda kVA Corrente de Ajuste A 150 8 1300 67 200 10 1400 72 250 13 1500 78 300 16 1600 84 400 21 1700 88 500 26 1800 94 600 31 1900 99 700 36 2000 104 800 42 2100 109 900 47 2200 114 1000 52 2300 120 1100 57 2400 125 1200 62 2500 130 Figura 45 Calibração dos Relés Primários em SEs de 138 kV Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca novembro1999 Consultoria para Uso Eficiente de Energia pág85 Prof Paulo Duailibe X BIBLIOGRAFIA 1 BEEMAN D Industrial Power Systems Handbook 1st edition McGrawHill Book Company New York 1955 2 EARLEY MW Murray RH Caloggero JM The National Electrical Code 1990 Handbook 5th edition NFPA Quincy Massachusetts 1989 3 MAMEDE J Sistemas Elétricos Industriais 5a edição LTC Livros Técnicos e Científicos Ltda Rio de Janeiro 1997 4 SOUZA LFW Apostila do Curso de Subestações da Universiade Federal Fluminense UFF 5 PETROBRÁS Petróleo Brasileiro SA Procedimento de Projeto de Subestações 1985 6 STEVENSON WD Elementos de Análise de Sistemas de Potência Editora McGraw Hill do Brasil Ltda São Paulo 1974 7 MEDEIROS S Medição de Energia Elétrica 2a edição Editora da Universidade Federal de Pernambuco Recife 1980 8 MAMEDE J Manual de Equipamentos Elétricos Volume 1 2a edição LTC Livros Técnicos e Científicos Ltda Rio de Janeiro 1994 9 DAJUZ A Outros Equipamentos Elétricos Especificação e Aplicação em Subestações de Alta Tensão Convênio Furnas Centrais Elétricas SA e Universidade Federal Fluminense Rio de Janeiro 1985 10 CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais Manual de Distribuição Fornecimento de Energia Elétrica em Tensão Primária Rede de Distribuição Aérea Belo Horizonte 1981 11 ROEPER R Correntes de CurtoCircuito em Redes Trifásicas Siemens São Paulo 1986 12 CAMINHA AC Introdução à Proteção de Sistemas Elétricos 13 PENNA FRANCA S Anotações de Trabalho 14 CARVALHO M Transformadores de Corrente Petrobrás 1982 15 CARVALHO M Transformadores de Potencial Petrobrás 1984 CÓDIGO N3210002 FL 85160 PADRONIZAÇÃO APROVAÇÃO ELABORAÇÃO VISTO ASAD RES DCL N 0742016 19052016 DVMD DPGT DESENHO Nº 04 SUBESTAÇÃO DE MEDIÇÃO COM TRANSFORMADOR EM POSTE ATÉ 300 kVA ENTRADA SUBTERRÂNEA MEDIÇÃO EM BT CÓDIGO N3210002 FL 86160 PADRONIZAÇÃO APROVAÇÃO ELABORAÇÃO VISTO ASAD RES DCL N 0742016 19052016 DVMD DPGT DESENHO Nº 04A SUBESTAÇÃO DE MEDIÇÃO COM TRANSFORMADOR EM POSTE ATÉ 300 kVA ENTRADA SUBTERRÂNEA MEDIÇÃO EM BT DIAGRAMA UNIFILAR CÓDIGO N3210002 FL 81160 PADRONIZAÇÃO APROVAÇÃO ELABORAÇÃO VISTO ASAD RES DCL N 0742016 19052016 DVMD DPGT DESENHO Nº 02 CABINE DE MEDIÇÃO VISTA FRONTAL CÓDIGO N3210002 FL 82160 PADRONIZAÇÃO APROVAÇÃO ELABORAÇÃO VISTO ASAD RES DCL N 0742016 19052016 DVMD DPGT DESENHO Nº 02A DETALHE DA CABINE DE MEDIÇÃO CAPA Sumário 1 Introdução 3 2 Definição da Subestação e Exigências 4 21 Normas Consultadas 4 22 Resumo das exigências em norma 5 23 Tipo da Subestação 8 3 Dimensionamento 9 31 Transformador 9 32 Poste do Transformador 10 33 Proteção 11 4 Dimensionamento do Material 14 5 Anexos 15 1 Introdução Este projeto visa à concepção e dimensionamento de uma subestação elétrica destinada a atender uma carga demanda de 150 kVA A subestação desempenha um papel fundamental na distribuição de energia elétrica operando para elevar ou reduzir o nível de tensão com total segurança Neste cenário nossa prioridade é assegurar que a subestação seja projetada de acordo com as normas e regulamentos pertinentes com um foco específico na eficiência e na garantia da segurança durante todas as operações Além disso a implementação bemsucedida dessa subestação não apenas garantirá o fornecimento de energia confiável para a carga demanda mas também contribuirá para a estabilidade da rede elétrica local e para a sustentabilidade energética alinhandose com os objetivos de redução de emissões e uso eficiente dos recursos Através de uma abordagem de projeto minuciosa e da estrita observância das melhores práticas nosso objetivo é criar uma subestação elétrica que promova a confiabilidade a eficiência e a segurança no fornecimento de energia elétrica 2 Definição da Subestação e Exigências 21 Normas Consultadas Abaixo seguem as normas consultadas para elaboração do presente projeto ABNTNBR14039 Instalações Elétricas em Média Tensão ABNTNBR5410 Instalações elétricas de baixa tensão CELESCN321002 Fornecimento de Energia Elétrica em Tensão Primária de Distribuição ABNTNBR5440 ABNTNBR10295 22 Resumo das exigências em norma Seguindo a norma da concessionária CELESC a subestação da unidade consumidora deve apresentar as seguintes características Localização e Acesso a A localização da subestação deve constar em um croqui no verso do formulário de Consulta Prévia para aprovação pela Celesc D b Em regiões sujeitas a inundações a subestação transformadora deve estar localizada em uma cota superior à máxima enchente já registrada c Deve estar localizada no máximo a 01 metro da via pública a menos que haja recuo estabelecido por posturas municipais ou órgãos governamentais d Deve permitir livre e fácil acesso Normas e Segurança e Deve atender às prescrições gerais da NBR 14039 f Deve ser localizada o mais afastada possível da central de gás do depósito de óleo combustível lixeira ou qualquer área com material combustível obedecendo a distâncias mínimas específicas g Os cabos de alimentação e os barramentos antes da medição devem estar localizados em locais que assegurem sua inviolabilidade h Deve prever sistema de combate a princípio de incêndio com extintores de gás carbônico CO2 i A disposição dos equipamentos elétricos deve oferecer condições adequadas de operação manutenção e segurança j Não podem ser armazenados materiais no interior da subestação k Não podem passar pela subestação tubulações expostas de água gás esgoto etc l As aberturas de eletrodutos da subestação devem ser obstruídas com massa de calafetar não inflamável e os cabos devem ser pintados com tinta anti chamas Sistemas de Ventilação O sistema de ventilação da subestação de unidade consumidora deve a Dimensionar de forma que a máxima elevação de temperatura interna da subestação em relação à temperatura externa seja de 15ºC b Possuir aberturas para ventilação de acordo com desenhos específicos c Ter no mínimo duas aberturas convenientemente dispostas para subestação com um único transformador refrigerado a óleo d Em subestações com mais de um transformador refrigerado a óleo cada cubículo deve possuir abertura para ventilação e As aberturas inferiores devem situarse a pelo menos 30cm acima do piso exterior e possuir venezianas e telas de proteção f A ventilação natural deve ser por convecção e deve ser prevista com aberturas a prova de respingos e de material incombustível g A ventilação forçada deve ser prevista nos casos em que a ventilação natural não seja viável devido a restrições do projeto arquitetônico h Nas subestações que utilizam transformadores a seco deve ser apresentado um cálculo para o dimensionamento adequado da ventilação seguindo as normas da ABNT e as recomendações dos fabricantes Sistema de Iluminação a Deve possuir iluminação natural sempre que possível e iluminação artificial adequada de acordo com os níveis de iluminação definidos pela Norma NBR ISOCIE 899512013 b É obrigatória a instalação de janela fixa para iluminação natural com vidro aramado de 70mm de espessura em dimensões mínimas de 100 x 50cm a 120cm do piso na subestação abrigada e a 280cm nas subestações isoladas altas nos cubículos de medição para faturamento de proteção local dos disjuntores e transformação sempre que possível c O sistema de iluminação artificial não pode ser derivado dos transformadores de medição d O sistema de iluminação artificial interna pode ser alimentado por TP específico instalado após a medição ou por circuito de baixa tensão da unidade consumidora devendo ser protegido com disjuntor adequado à potência instalada e A iluminação artificial deve estar localizada a uma distância mínima de 150m da média tensão na horizontal e nunca sobre os locais destinados aos equipamentos principais da subestação f A iluminação artificial da subestação deve ser com luminária fechada com o ponto de controle interruptor junto à porta pelo lado interno g Deve ser instalado um sistema de iluminação de emergência com autonomia mínima de 02 horas conforme a NBR 14039 não sendo permitido derivar dos transformadores para medição Placa de Advertência a Deve ser fixada nas portas da subestação e nas grades dos cubículos uma placa de advertência com as palavras PERIGO DE MORTE ALTA TENSÃO em pintura de fundo amarelo e caracteres pretos b Junto ao comando da chave seccionadora sem carga quando aplicável deve ser fixada uma placa de advertência com os dizeres NÃO OPERE SOB CARGA Transformadores a Pode ser utilizado transformador tipo aéreo pedestal seco e a óleo b Os transformadores devem ser fornecidos pelo consumidor e atender às especificações das Normas NBR 5440 NBR 10295 e NBR 5356 da ABNT c A determinação da potência dos transformadores é de responsabilidade do projetista e deve ser efetuada após o cálculo da demanda provável d Para a ligação de transformadores dispostos em paralelo as normas da ABNT devem ser respeitadas e Os transformadores podem ser dimensionados levando em conta o fator de demanda típico da atividade prevendose reservas para futuros acréscimos de carga a critério do projetista f Quando a potência de transformação instalada for superior à demanda provável essa necessidade deve ser justificada no memorial descritivo e a proteção deve ser dimensionada para a potência nominal do transformador necessário para a demanda provável informada g Os transformadores devem atender às especificações da Celesc D possuindo características específicas como tipo de ligação deltaestrela aterrada Dyn1 tensões primárias e secundárias específicas h Caso o transformador seja instalado antes da medição ele deve ser preferencialmente novo e de fabricante certificado pela Celesc D com perdas totais máximas de 25 da potência nominal 23 Tipo da Subestação Com base na carga demandada de 150 kVA a escolha recai sobre uma subestação externa também conhecida como subestação aérea ou ao tempo que é perfeitamente adequada para potências de transformação de até 300 kVA Esta configuração envolve a instalação de um transformador no nível do solo ou em um poste em proximidade a uma cabine de medição secundária cujo projeto será apresentado em anexo Além das diretrizes já mencionadas é crucial ressaltar as especificações particulares aplicáveis a subestações externas com transformadores instalados em postes Para garantir a durabilidade e segurança da estrutura todas as ferragens devem ser zincadas por imersão a quente em conformidade com as normas estabelecidas pela NBR6323 Isso implica a aplicação de uma camada média de zincagem de 100 micras com um mínimo de 80 micras A instalação do transformador ocorrerá no poste com a entrada subterrânea exigindo postes que atendam a especificações mínimas levando em consideração o peso do transformador e as máximas exigências impostas pelos condutores do ramal de ligação A altura mínima dos postes deverá ser de 11 metros em conformidade com os padrões estabelecidos pela Celesc D Essas medidas e requisitos visam garantir uma instalação segura e eficiente da subestação externa assegurando um fornecimento confiável de energia elétrica para a carga demandada de 150 kVA 3 Dimensionamento A seguir serão apresentados os dimensionamentos dos principais componentes da subestação 31 Transformador A carga demandada já foi fornecida contudo é necessário se considerar um fator para uma possível ampliação de carga Considerando um período de 5 anos e um fator de crescimento anual de 8 𝐹𝐶𝐷 1 0085 147 Dessa forma a demanda com o fator de correção aplicado será igual a 𝐷𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑑𝑎𝐷𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑎 𝐷 𝐹𝐶𝐷 150 147 2205 𝑘𝑉𝐴 Portanto o transformador escolhido considerando uma futura ampliação de carga será de 225 kVA Trifásico a Óleo Conforme a tabela abaixo com os valores nominais de transformadores de potencial Tabela 1 Dimensionamento Transformador 32 Poste do Transformador Considerando o peso do transformador e os esforços envolvidos no poste segundo a Tabela 04 apresentada a seguir foi dimensionado o poste onde será instalado o transformador O poste será de 11 metros e 1000 daN 33 Proteção Para o dimensionamento dos elos fusíveis se consultou a Tabela 01A disponibilizadas abaixo considerando a tensão nominal em 138 kV Tabela 01A Dimensionamento Chave e Elo Fusível Portanto o elo fusível deverá ser conforme especificado de 8K Para o dimensionamento de disjuntor de baixa tensão primeiramente se calculou a corrente do transformador 𝐼𝑇𝑟𝑎𝑓𝑜 225 103 3 220 590 47 𝐴 Portanto o disjuntor de baixa tensão deverá de ser no mínimo de 600 A Disjuntor trifásico In 600 A O dimensionamento da chave seccionadora se deu também através da Tabela 01A Consultando a mesma linha referente ao transformador a óleo de 225 kVA a chave deve possuir tensão de isolação de 138 kV e corrente de 100 A 35 Medição Por se tratar de uma potência de transformação inferior a 225 kVA para tensão de 220 V entre fases 220127 A medição será feita em tensão secundária e portanto na baixa tensão Especificação do TC de medição Tabela 5 Especificação do Transformador de Corrente TC de baixa Tensão 36 Ramal de Entrada Para o dimensionamento dos cabos referentes a BT se utilizou da Tabela 37 da NBR 5410 seguindo o método de referência D Considerando o transformador operando a plena carga os cabos devem suportar a corrente do transformador dessa forma Tabela 37 Capacidade de Condução de Corrente Deste modo foram escolhidos os cabos de cobre com seção de 630mm² e isolação XLPE visto que a entrada será subterrânea 4 Dimensionamento do Material A Tabela abaixo se encontra a lista de material da subestação transformadora 5 Anexos A seguir se encontram os anexos na ordem apresentada abaixo Cabine de Medição Vista Frontal Detalhe da Cabine de Medição Subestação de medição com transformador em poste Entrada Subterrânea Medição em BT Subestação de medição com transformador em poste Entrada Subterrânea Medição em BT Esquema de Ligação CÓDIGO N3210002 FL 81160 PADRONIZAÇÃO APROVAÇÃO ELABORAÇÃO VISTO ASAD RES DCL N 0742016 19052016 DVMD DPGT DESENHO Nº 02 CABINE DE MEDIÇÃO VISTA FRONTAL CÓDIGO N3210002 FL 82160 PADRONIZAÇÃO APROVAÇÃO ELABORAÇÃO VISTO ASAD RES DCL N 0742016 19052016 DVMD DPGT DESENHO Nº 02A DETALHE DA CABINE DE MEDIÇÃO CÓDIGO N3210002 FL 85160 PADRONIZAÇÃO APROVAÇÃO ELABORAÇÃO VISTO ASAD RES DCL N 0742016 19052016 DVMD DPGT DESENHO Nº 04 SUBESTAÇÃO DE MEDIÇÃO COM TRANSFORMADOR EM POSTE ATÉ 300 kVA ENTRADA SUBTERRÂNEA MEDIÇÃO EM BT CÓDIGO N3210002 FL 86160 PADRONIZAÇÃO APROVAÇÃO ELABORAÇÃO VISTO ASAD RES DCL N 0742016 19052016 DVMD DPGT DESENHO Nº 04A SUBESTAÇÃO DE MEDIÇÃO COM TRANSFORMADOR EM POSTE ATÉ 300 kVA ENTRADA SUBTERRÂNEA MEDIÇÃO EM BT DIAGRAMA UNIFILAR CAPA Sumário 1 Introdução3 2 Definição da Subestação e Exigências4 21 Normas Consultadas4 22 Resumo das exigências em norma5 23 Tipo da Subestação8 3 Dimensionamento9 31 Transformador9 32 Poste do Transformador10 33 Proteção11 4 Dimensionamento do Material14 5 Anexos15 1 Introdução Este projeto visa à concepção e dimensionamento de uma subestação elétrica destinada a atender uma carga demanda de 150 kVA A subestação desempenha um papel fundamental na distribuição de energia elétrica operando para elevar ou reduzir o nível de tensão com total segurança Neste cenário nossa prioridade é assegurar que a subestação seja projetada de acordo com as normas e regulamentos pertinentes com um foco específico na eficiência e na garantia da segurança durante todas as operações Além disso a implementação bemsucedida dessa subestação não apenas garantirá o fornecimento de energia confiável para a carga demanda mas também contribuirá para a estabilidade da rede elétrica local e para a sustentabilidade energética alinhandose com os objetivos de redução de emissões e uso eficiente dos recursos Através de uma abordagem de projeto minuciosa e da estrita observância das melhores práticas nosso objetivo é criar uma subestação elétrica que promova a confiabilidade a eficiência e a segurança no fornecimento de energia elétrica 2 Definição da Subestação e Exigências 21 Normas Consultadas Abaixo seguem as normas consultadas para elaboração do presente projeto ABNTNBR14039 Instalações Elétricas em Média Tensão ABNTNBR5410 Instalações elétricas de baixa tensão CELESCN321002 Fornecimento de Energia Elétrica em Tensão Primária de Distribuição ABNTNBR5440 ABNTNBR10295 22 Resumo das exigências em norma Seguindo a norma da concessionária CELESC a subestação da unidade consumidora deve apresentar as seguintes características Localização e Acesso a A localização da subestação deve constar em um croqui no verso do formulário de Consulta Prévia para aprovação pela Celesc D b Em regiões sujeitas a inundações a subestação transformadora deve estar localizada em uma cota superior à máxima enchente já registrada c Deve estar localizada no máximo a 01 metro da via pública a menos que haja recuo estabelecido por posturas municipais ou órgãos governamentais d Deve permitir livre e fácil acesso Normas e Segurança e Deve atender às prescrições gerais da NBR 14039 f Deve ser localizada o mais afastada possível da central de gás do depósito de óleo combustível lixeira ou qualquer área com material combustível obedecendo a distâncias mínimas específicas g Os cabos de alimentação e os barramentos antes da medição devem estar localizados em locais que assegurem sua inviolabilidade h Deve prever sistema de combate a princípio de incêndio com extintores de gás carbônico CO2 i A disposição dos equipamentos elétricos deve oferecer condições adequadas de operação manutenção e segurança j Não podem ser armazenados materiais no interior da subestação k Não podem passar pela subestação tubulações expostas de água gás esgoto etc l As aberturas de eletrodutos da subestação devem ser obstruídas com massa de calafetar não inflamável e os cabos devem ser pintados com tinta anti chamas Sistemas de Ventilação O sistema de ventilação da subestação de unidade consumidora deve a Dimensionar de forma que a máxima elevação de temperatura interna da subestação em relação à temperatura externa seja de 15ºC b Possuir aberturas para ventilação de acordo com desenhos específicos c Ter no mínimo duas aberturas convenientemente dispostas para subestação com um único transformador refrigerado a óleo d Em subestações com mais de um transformador refrigerado a óleo cada cubículo deve possuir abertura para ventilação e As aberturas inferiores devem situarse a pelo menos 30cm acima do piso exterior e possuir venezianas e telas de proteção f A ventilação natural deve ser por convecção e deve ser prevista com aberturas a prova de respingos e de material incombustível g A ventilação forçada deve ser prevista nos casos em que a ventilação natural não seja viável devido a restrições do projeto arquitetônico h Nas subestações que utilizam transformadores a seco deve ser apresentado um cálculo para o dimensionamento adequado da ventilação seguindo as normas da ABNT e as recomendações dos fabricantes Sistema de Iluminação a Deve possuir iluminação natural sempre que possível e iluminação artificial adequada de acordo com os níveis de iluminação definidos pela Norma NBR ISOCIE 899512013 b É obrigatória a instalação de janela fixa para iluminação natural com vidro aramado de 70mm de espessura em dimensões mínimas de 100 x 50cm a 120cm do piso na subestação abrigada e a 280cm nas subestações isoladas altas nos cubículos de medição para faturamento de proteção local dos disjuntores e transformação sempre que possível c O sistema de iluminação artificial não pode ser derivado dos transformadores de medição d O sistema de iluminação artificial interna pode ser alimentado por TP específico instalado após a medição ou por circuito de baixa tensão da unidade consumidora devendo ser protegido com disjuntor adequado à potência instalada e A iluminação artificial deve estar localizada a uma distância mínima de 150m da média tensão na horizontal e nunca sobre os locais destinados aos equipamentos principais da subestação f A iluminação artificial da subestação deve ser com luminária fechada com o ponto de controle interruptor junto à porta pelo lado interno g Deve ser instalado um sistema de iluminação de emergência com autonomia mínima de 02 horas conforme a NBR 14039 não sendo permitido derivar dos transformadores para medição Placa de Advertência a Deve ser fixada nas portas da subestação e nas grades dos cubículos uma placa de advertência com as palavras PERIGO DE MORTE ALTA TENSÃO em pintura de fundo amarelo e caracteres pretos b Junto ao comando da chave seccionadora sem carga quando aplicável deve ser fixada uma placa de advertência com os dizeres NÃO OPERE SOB CARGA Transformadores a Pode ser utilizado transformador tipo aéreo pedestal seco e a óleo b Os transformadores devem ser fornecidos pelo consumidor e atender às especificações das Normas NBR 5440 NBR 10295 e NBR 5356 da ABNT c A determinação da potência dos transformadores é de responsabilidade do projetista e deve ser efetuada após o cálculo da demanda provável d Para a ligação de transformadores dispostos em paralelo as normas da ABNT devem ser respeitadas e Os transformadores podem ser dimensionados levando em conta o fator de demanda típico da atividade prevendose reservas para futuros acréscimos de carga a critério do projetista f Quando a potência de transformação instalada for superior à demanda provável essa necessidade deve ser justificada no memorial descritivo e a proteção deve ser dimensionada para a potência nominal do transformador necessário para a demanda provável informada g Os transformadores devem atender às especificações da Celesc D possuindo características específicas como tipo de ligação deltaestrela aterrada Dyn1 tensões primárias e secundárias específicas h Caso o transformador seja instalado antes da medição ele deve ser preferencialmente novo e de fabricante certificado pela Celesc D com perdas totais máximas de 25 da potência nominal 23 Tipo da Subestação Com base na carga demandada de 150 kVA a escolha recai sobre uma subestação externa também conhecida como subestação aérea ou ao tempo que é perfeitamente adequada para potências de transformação de até 300 kVA Esta configuração envolve a instalação de um transformador no nível do solo ou em um poste em proximidade a uma cabine de medição secundária cujo projeto será apresentado em anexo Além das diretrizes já mencionadas é crucial ressaltar as especificações particulares aplicáveis a subestações externas com transformadores instalados em postes Para garantir a durabilidade e segurança da estrutura todas as ferragens devem ser zincadas por imersão a quente em conformidade com as normas estabelecidas pela NBR6323 Isso implica a aplicação de uma camada média de zincagem de 100 micras com um mínimo de 80 micras A instalação do transformador ocorrerá no poste com a entrada subterrânea exigindo postes que atendam a especificações mínimas levando em consideração o peso do transformador e as máximas exigências impostas pelos condutores do ramal de ligação A altura mínima dos postes deverá ser de 11 metros em conformidade com os padrões estabelecidos pela Celesc D Essas medidas e requisitos visam garantir uma instalação segura e eficiente da subestação externa assegurando um fornecimento confiável de energia elétrica para a carga demandada de 150 kVA 3 Dimensionamento A seguir serão apresentados os dimensionamentos dos principais componentes da subestação 31 Transformador A carga demandada já foi fornecida contudo é necessário se considerar um fator para uma possível ampliação de carga Considerando um período de 5 anos e um fator de crescimento anual de 8 FCD1008 5147 Dessa forma a demanda com o fator de correção aplicado será igual a 𝐷𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑑𝑎DcorrigidaD FCD1501472205kVA Portanto o transformador escolhido considerando uma futura ampliação de carga será de 225 kVA Trifásico a Óleo Conforme a tabela abaixo com os valores nominais de transformadores de potencial Tabela 1 Dimensionamento Transformador 32 Poste do Transformador Considerando o peso do transformador e os esforços envolvidos no poste segundo a Tabela 04 apresentada a seguir foi dimensionado o poste onde será instalado o transformador O poste será de 11 metros e 1000 daN 33 Proteção Para o dimensionamento dos elos fusíveis se consultou a Tabela 01A disponibilizadas abaixo considerando a tensão nominal em 138 kV Tabela 01A Dimensionamento Chave e Elo Fusível Portanto o elo fusível deverá ser conforme especificado de 8K Para o dimensionamento de disjuntor de baixa tensão primeiramente se calculou a corrente do transformador I Trafo22510 3 3220 59047 A Portanto o disjuntor de baixa tensão deverá de ser no mínimo de 600 A Disjuntor trifásico In 600 A O dimensionamento da chave seccionadora se deu também através da Tabela 01A Consultando a mesma linha referente ao transformador a óleo de 225 kVA a chave deve possuir tensão de isolação de 138 kV e corrente de 100 A 35 Medição Por se tratar de uma potência de transformação inferior a 225 kVA para tensão de 220 V entre fases 220127 A medição será feita em tensão secundária e portanto na baixa tensão Especificação do TC de medição Tabela 5 Especificação do Transformador de Corrente TC de baixa Tensão 36 Ramal de Entrada Para o dimensionamento dos cabos referentes a BT se utilizou da Tabela 37 da NBR 5410 seguindo o método de referência D Considerando o transformador operando a plena carga os cabos devem suportar a corrente do transformador dessa forma Tabela 37 Capacidade de Condução de Corrente Deste modo foram escolhidos os cabos de cobre com seção de 630mm² e isolação XLPE visto que a entrada será subterrânea 4 Dimensionamento do Material A Tabela abaixo se encontra a lista de material da subestação transformadora 5 Anexos A seguir se encontram os anexos na ordem apresentada abaixo Cabine de Medição Vista Frontal Detalhe da Cabine de Medição Subestação de medição com transformador em poste Entrada Subterrânea Medição em BT Subestação de medição com transformador em poste Entrada Subterrânea Medição em BT Esquema de Ligação