Baixe Aula 4 - Subestações e outras Notas de aula em PDF para Distribuição e Utilização de Energia, somente na Docsity!
Subestação
Aula 4: Principais equipamentos em subestações e sua
classi cação por funções – parte 1
Apresentação
Nesta aula, conheceremos os principais equipamentos e acessórios utilizados em subestações. Começaremos pelo ramal de entrada que é composto pelos condutores que saem da rede da concessionária e adentram nas instalações do consumidor, sendo que esses cabos possuem características especiais pois são utilizados para redes de média tensão.
Abordaremos a proteção contra surtos de tensão, que pode entrar nas instalações pelos cabos de energia e causarem mau funcionamento dos equipamentos instalados. Esses surtos podem ser por descargas atmosféricas diretas ou indiretas ou chaveamentos na rede primária de energia.
Por m abordaremos os dispositivos conhecidos como para raios poliméricos ou para raios de linha cuja função é proteger as instalações desses surtos de energia. Conheceremos a técnica utilizada para confecção desses para raios.
Objetivos
Conhecer os vários tipos de equipamentos das subestações;
Diferenciar os modelos dos equipamentos e suas vantagens, desvantagens e aplicações.
Ramal de ligação
Iniciaremos pelo ramal de ligação, que é constituído normalmente por condutores, isoladores e outros materiais para sua xação. O trecho que compreende o ramal de ligação é o ponto de entrega da distribuidora e o ponto de entrada na subestação. Dependendo do tipo de subestação e seu arranjo, o ramal de ligação pode ser:
Aéreo
São condutores suspensos, xados na estrutura de xação e ancoragem, normalmente compostos por cobre, alumínio, ou alumínio com alma de aço, devidamente espaçados entre si.
Subterrâneo
Os condutores são isolados e instalados em eletrodutos que, pela necessidade da resistência mecânica contra compressão e outros esforços, são do tipo corrugado, em PVC, que suportam grandes tensões, sendo apropriados para travessias de vias públicas e calçadas.
Alguns arranjos subterrâneos incluem o fornecimento de dois ramais de ligação, ambos energizados e em paralelo, para maior con abilidade do fornecimento. Assim, cada ramal suporta toda a demanda do sistema, cando o outro como reserva. Este é o caso do fornecimento de ramais de distribuição de algumas concessionárias em locais onde a falta de energia teria grande impacto a muitos consumidores. Neste caso, os ramais partem de subestações diferentes, reduzindo, assim, a possibilidade de falta de energia.
Como o sistema elétrico do Brasil é trifásico, o ramal de possui três condutores (média ou alta tensão) e, quando o neutro é distribuído, possui quatro condutores (três fases e o neutro), sendo este caso comum para redes de distribuição em baixa tensão.
Eventuais ramais de ligação em média tensão possuem quatro condutores,
sendo um deles reserva para um rápido reestabelecimento em caso de
defeito dos condutores de fase.
Atividade
- Analise as a rmativas abaixo e classi que-as como verdadeiras ou falsas.
I. O ramal de ligação aéreo é constituído por condutores suspensos, xados na estrutura de xação e ancoragem, normalmente compostos por cobre, alumínio, ou alumínio com alma de aço, devidamente espaçados entre si.
II. O ramal de ligação aéreo é constituído por condutores suspensos, xados na estrutura de xação e ancoragem, normalmente compostos por cobre, alumínio, ou alumínio com alma de aço, devidamente espaçados entre si.
III. Eventuais ramais de ligação em média tensão possuem quatro condutores, sendo um deles reserva para um rápido reestabelecimento em caso de defeito dos condutores de fase.
Atribuindo “V” para a sentença verdadeira e “F” para a sentença falsa, temos a seguinte sequência:
a) F, V, V. b) V, V, V. c) V, F, V. d) F, F, V. e) V, F, F.
Na imagem da camada dos cabos, veri camos a composição dos cabos e percebemos que possuem dois valores de isolação. O primeiro refere-se à isolação do centro do condutor até sua periferia (neste caso, 8,7kV) e o segundo de 15kV, referindo-se ao isolamento entre o centro de dois condutores distintos.
Tensão suportável entre fase e terra e entre fase e fase. |^ Fonte:^ Cabine Primária.
Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online
Mu as
Até aqui, veri camos a importância do isolamento e, pela classe de tensão, percebemos que a área de isolamento de um cabo de média ou alta tensão é maior que a área do condutor metálico. Para garantir a rigidez dielétrica do cabo, ou seja, um isolamento adequado, são necessárias essas camadas de isolamento.
Há, porém, algumas questões nesse caso:
Como fazer a conexão do cabo com o equipamento já que a camada de isolamento deve ser removida?
Ao remover o isolamento, como evitar que haja um centelhamento ou um curto do cabo e sua blindagem?
Nesses casos, é necessário utilizar um mu a (cobertura na extremidade do cabo), onde pode ser xada um conector na parte condutora tipo olhal para xação nos equipamentos. Essa cobertura possui as mesmas características de isolação da cobertura original do cabo.
Veja a seguir, mu as de uso interno e externo.
Muflas.
Para-raios e descargas
atmosféricas
Os estudos com descargas atmosféricas começaram no século XVIII, com observações de William Hall, e o famoso experimento de Benjamin Franklin ao empinar uma pipa num dia de tempestade com uma chave presa à linha.
O relâmpago é um deslocamento de cargas que acontece com a quebra da rigidez dielétrica da nuvem, quando o campo elétrico da nuvem ioniza o ar e reduz a rigidez dielétrica até ocorrer a movimentação dos elétrons numa descarga. As medidas realizadas pelo ELAT (Grupo de Eletricidade Atmosférica, vinculada ao INPE) mostraram valores máximos entre 100 e 400kV/m de campo elétrico da nuvem. Ao todo, cerca de 90% dos raios são do tipo nuvem- solo de carga negativa.
Fonte: Por Mario Breda / Shutterstock.
TÍTULO Consideramos uma descarga atmosférica direta aquela que atinge a rede de energia, provocando surtos de tensão transitório e, consequentemente, situações de anomalias da rede normalmente em uma das fases (a que é atingida pela descarga), mas também pode ser uma sobretensão bifásica ou trifásica.
Consideramos uma descarga atmosférica direta aquela que atinge a rede de energia, provocando surtos de tensão transitório e, consequentemente, situações de anomalias da rede normalmente em uma das fases (a que é atingida pela descarga), mas também pode ser uma sobretensão bifásica ou trifásica.
A tensão suportável de impulso para descaras atmosféricas de uma rede de 230kV é de pouco mais de 1.000kV. Para uma rede de 69kV, a tensão suportável é de 355kV. Para uma rede de distribuição de 13,8kV, a tensão suportável de impulso é de 95kV.
Se tomarmos a impedância das redes como base, teremos numa rede de distribuição de 13,8kV com valor de impedância de 35Ω/km (valor comum para essas redes). Uma descarga atmosférica “pequena” de 5kA provocaria um surto de tensão de 875kV, valor muito superior ao suportável de 95kV. Já na rede de alta tensão esse valor não é tão relevante pela maior suportabilidade à tensão de impulsos.
Representamos uma onda de impulso (de origem atmosférica) no tempo pelo valor de crista e pelo tempo subsequente para que a tensão de cauda da onda atinja o valor médio da crista. Os ensaios (próximos dos reais) são realizados com ondas de 1,2/50μs, em que a crista ocorre em 1,2μs e a tensão média da cauda em 50μs.
A velocidade de propagação dessas ondas de impulso transiente atmosférico em cabos nus é de 300m/μs, e, para cabos isolados, 150m/μs. Então, em uma rede com cabos isolados, uma descarga atmosférica que atingiu um cabo possui uma onda de impulso com frente de onda de:
150 𝑚 𝑥 1,2=180m A proteção contra descargas diretas em subestações e redes elétricas é feita com a instalação de um sistema de captação dessa descarga, que pode ser feita com:
Condutores suspensos (subestações e redes);
Hastes com captores tipo Franklin ou gaiola de Faraday (subestações);
Para-raios de linha (para-raios polimético) no cabo de fase.
Condutores suspensos
O item 5,2,1 da NBR 5419-2015 – 3 (Proteção de Estruturas contra Descargas Atmosféricas) comtempla esse método, formado por um condutor suspenso numa catenária com condutores de descida da descarga na estrutura de xação, chamado de cabo guarda ou cabo para-raios. O volume protegido é obtido em função do nível de proteção do sistema.
Legenda
A Topo do captor
B Plano de referência
OC Raio da base do cone de proteção
h Altura de um mastro acima do plano de referência
𝛼 Ângulo de proteção
1
5419/2015-3.Volume de proteção provido por elemento condutor suspenso /^ Fonte:^ NBR
Volume de proteção provido por elemento condutor suspenso /^ Fonte:^ NBR 5419/2015-
Veja na imagem a seguir, um cabo para-raios.
Proteção contra descargas atmosféricas por mastro reto e captor em subestações.
Nas estruturas construídas em alvenaria para abrigar subestações, pode ser feita a proteção contra descargas atmosféricas por gaiola de Faraday, com a instalação de condutores reticulados na cobertura e interligados à terra.
Gaiola de Faraday / Fonte: caldeiraeletrica.
Para-raios de linha
Dispositivo semicondutor para proteção da rede contra surtos de manobra e de descargas atmosféricas. Esse tipo de para-raios é fabricado com óxidos metálicos (normalmente o óxido de zinco), sendo monofásico e ligado de um lado à fase e, do outro, ao aterramento.
Esse tipo de para-raios possui comportamento de uma chave aberta (isolante) até o valor nominal de corrente e tensão e se comporta como chave fechada para valores acima dos nominais, fechando o condutor de fase com a terra num “curto-circuito” com o objetivo de criar um caminho de baixa impedância para que o surto de tensão desvie para o aterramento e não entre na instalação. Ao encerrar o surto, se o equipamento não for dani cado, ele volta ao seu estado de funcionamento normal (como uma chave aberta entre a fase e a terra).
Para-raios de linha de 15kV.
Nas subestações de média tensão, na rede de distribuição, sua instalação é feita na cruzeta, junto ao ponto de ancoragem da
subestação simpli cada ou na alvenaria, também junto ao ponto de
ancoragem para as subestações abrigadas.
Assim ele é formado por uma proteção primária, sendo instalado normalmente antes da entrada da subestação.
Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online
Para-raios de linha.
Chave monofásica, instalada como proteção no lado de média tensão das subestações simpli cadas e de algumas subestações abrigadas de pequeno porte, sendo bastante utilizada pelo seu preço mais barato e pelo bom
desempenho na proteção contra curtos e sobretensões (neste caso, são necessárias três chaves, uma para cada fase).
Chave fusível.
A chave fusível também é conhecida como chave Matthews.
Na imagem a seguir podemos ver uma chave fusível para proteção de subestação simpli cada.
Chave fusível para proteção de subestação simplificada /^ Fonte:^ Cixcon.
No interior do cartucho, também chamado de porta-fusível (parte cilíndrica, lisa, parecendo um tubo de PVC) encontra-se o elo fusível, de onde, efetivamente, vem a proteção através da queima e abertura do circuito. Não muito raro, na queima do elo fusível, não há a interrupção total do circuito, pois, em tensões mais elevadas e na distribuição, ocorre a formação de um arco elétrico entre os terminais, passando pelo interior do porta-fusível, pois é um local muito ionizado. Para evitar a formação desse arco, os elos fusíveis são instalados em um tubinho como um canudo, que recobre o elo. Ao se fundir ao elo, o calor faz com que esse tubinho libere gases anti-ionizantes, extinguindo o arco.
Os elos são fabricados e especi cados pelo seu tempo de atuação e sua corrente, codi cados nos seguintes tipos:
“H”
Elo de alto surto, possui tempo de atuação mais lento, é utilizado para transformadores de distribuição e subestações simpli cadas com transformador de baixa potência (75kVA). A atuação mais lenta é para evitar que o elo se funda à partida do transformador devido ao surto de corrente (corrente inrush). Tem relação de rapidez de 11,4 a 36,4.
“K”
Possui tempo de atuação menor (mais rápido), é utilizado para ramais de alimentadores de distribuição ou ao longo dos ramais e em proteção geral de transformadores de subestação simpli cada. A relação de rapidez é de 6 a 8,1.
“T”
Destinado à proteção de alimentadores e ramais de distribuição. O tempo de rapidez varia de 10 a 13.
A rapidez é dada pela razão entre a corrente de surto suportada num tempo de 0,1s a 300s para elos de até 100A e de 600s para elos maiores e a corrente mínima de fusão do metal do elo fusível. Assim, a corrente de fusão de um elo com 3H é 4,5A e ele suporta 80A em 0,1s. Assim, temos uma relação de:
4,5^80 = 17, 4
Os elos fusíveis são constituídos de estanho e projetados para operar a uma temperatura de 100ºC e se fundir a 230ºC.
Atividade
- Analise as a rmativas abaixo e classi que-as como verdadeiras ou falsas.
I. Também conhecida por chave Matthews, é uma chave monofásica, instalada como proteção no lado de média tensão das subestações simpli cadas e de algumas subestações abrigadas de pequeno porte, subestações de grande porte e subestações de extra alta tensão, sendo pouco utilizada pelo seu preço mais caro e pelo bom desempenho na proteção contra curtos e sobretensões.
II. O elo fusível é o elemento de onde, efetivamente, vem a proteção, porém, na queima do elo fusível, ocorre a formação de um arco elétrico entre os terminais, passando pelo interior do porta-fusível.
III. Os elos são fabricados e especi cados pelo seu tempo de atuação e sua corrente, codi cados como os seguintes tipos: K, H e T, sendo o tipo T utilizado em subestações simpli cadas.
Atribuindo “V” para a sentença verdadeira e “F” para a sentença falsa, temos a seguinte sequência:
a) F, V, V. b) V, V, V. c) V, F, V. d) F, F, V. e) V, V, F.
Notas
Referências
Barros, Benjamim Ferreira, Gedra, Ricardo Luís. Cabine Primária - Subestações de alta tensão de consumidor. São Paulo:
