elementos de subestação

ELEMENTOS DE SUBESTAÇÃOEquipamento de Transformação – Transformador de Força e de Instrumento.

Equipamento de Proteção – Para Raios, Relés e Fusíveis

Diego Moraes de Carvalho

Rafael Franco Silveira

EQUIPAMENTO DE TRANSFORMAÇÃO

Transformador de Força e de Instrumento

Transformador de Potência

Os transformadores de potência são destinados a rebaixar ou elevar a tensão e consequentemente elevar ou reduzir a corrente de um circuito, de modo que não se altere a potência do circuito.

Tipos

• Transformador de Força - utilizados para gerar, transmitir e distribuir energia em subestações e concessionárias. Possuem potência de 5 até 300MVA. Quando operam em alta tensão de 138kV até cerca de 800kV.

• Transformador de Distribuição - utilizados para rebaixar a tensão para ser entregue aos clientes finais das empresas de distribuição de energia. São normalmente instalados em postes ou em câmaras subterrâneas. Possuem potência de 30 a 300kVA; em tensão de 13,8kV até cerca de 69kV, já o transformador de baixa tensão tem 380/220 ou 220/127V

Transformador de Força

• Classificados segundo o seu meio isolante, podendo ser a óleo mineral, a líquidos isolantes sintéticos pouco inflamáveis (silicone) e secos.

• Dependendo da aplicação, estes equipamentos são fabricados com comutadores de tensão sem carga (NLTC), com carga (OLTC) - ou uma combinação de ambos.

Tipos

• Transformadores elevadores GSU (Generator Step-up Transformer) – elevam a tensão gerada até uma tensão de transmissão, que pode ser de 245, 362, 420, 550 e até 800kV.

• Transformadores abaixadores - reduzem a tensão desde o nível de transmissão – de 230 a 800kV - até o nível apropriado de distribuição, normalmente entre 13,8 e 34,5kV;

• Transformadores para interconexão de sistemas – Interligam sistemas de transmissão com diferentes níveis de tensão de tal forma que a potência (tanto ativa quanto reativa) possa ser intercambiada entre os sistemas.

Transformador de Instrumentos• Essenciais na realização das funções de medição e de

proteção nos sistemas elétricos de potência;

• Podem-se medir, com segurança, os elevados valores de tensão e de corrente utilizados na produção, transmissão e distribuição de energia elétrica e, assim, fornecer as informações necessárias para faturamentos de demanda, consumo de energia e também para a atuação com precisão dos sistemas de proteção, garantindo um funcionamento mais seguro dos equipamentos, subestações e linhas de transmissão a que estão associados

Transformadores de Corrente

• 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;

• São classificados

de acordo com a sua

construção mecânica;

TC – Tipos• Tipo Primário Enrolado – enrolamento primário

constituído de uma ou mais espiras envolve mecanicamente o núcleo do transformador;

• Tipo Barra – primário é constituído por uma barra, montada permanentemente através do núcleo do transformador;

TC – Tipos• Tipo Janela – não possui primário próprio e é constituído

de uma abertura através do núcleo, por onde passa o condutor do circuito primário;

• Tipo Bucha – tipo especial de TC tipo janela é construído e projetado para ser instalado sobre uma bucha de um equipamento elétrico, fazendo parte integrante do fornecimento deste;

TC – Tipos

• 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;

Uso

• Serviço de Medição – A designação dos TC’s, de acordo com a ABNT, é feita indicando a classe de exatidão seguida da carga nominal com a qual se verifica esta exatidão. Já 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:• 0,6 – C50,0 (ABNT)• 0,3 – C2,5 (ABNT)• 0,6B – 2,0 (ANSI)• 0,3B – 0,1 (ANSI)

Uso• Serviço de Proteção – A designação dos TC’s, de

acordo com a ABNT e ANSI, é feita de acordo com a tabela abaixo:

Características Nominais Designação

Impedância 

Secundária Interna

Classe de 

Exatidão (%)

Potência 

Aparente (VA)

Tensão Secundária (V)

ANSI (C.57.13) Rev. 1968

ABNT (EB-251.2) 

Ver. 1980

Alta

10 2,5 10 T   10 10A 1010 5 20 T   20 10A 2010 12,5 50 T   50 10A 5010 25 100 T   100 10A 10010 50 200 T   200 10A 20010 100 400 T   400 10A 40010 200 800 T   800 10A 800

Baixa

10 2,5 10 C   10 10B 1010 5 20 C   20 10B 2010 12,5 50 C   50 10B 5010 25 100 C   100 10B 10010 50 200 C   200 10B 20010 100 400 C   400 10B 40010 200 800 C   800 10B 800

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;

• Semelhantes aos transformadores de distribuição convencionais mas consomem baixa potência.

Características• Os TPs variam conforme sua classe de exatidão. Para as

medições de supervisão e controle utiliza-se TP com erros de relação menores ou iguais a 0,3% com desvio de fase de 15 minutos. A tabela abaixo apresenta as classes de exatidão para TP de acordo com a norma IEC 60014-1.

Classe de exatidão Carga (%)

Limite dos Erros

AplicaçãoCorrente (%)

Erro de relação 

(%)

Desvio de fase (min)

0,1 25-100 80-120 0,1 5 Laboratório0,2 25-100 80-120 0,2 10 Medição0,5 25-100 80-120 0,5 20 Medição1 25-100 80-120 1 40 Industrial

3 25-100 80-120 3 - Instrumentos

3P 25-100 5-Vf 3 120 Proteção6P 25-100 5-Vf 6 240 Proteção

TP – Tipos• Tipo Indutivo – construídos segundo três grupos:

• Grupo 1 - são aqueles projetados para ligação entre fases. São basicamente os do tipo utilizados nos sistemas de até 34,5 kV;

• Grupo 2 - são aqueles projetados para ligação entre fase e neutro de sistema diretamente aterrados;

• Grupo 3 - são aqueles projetados para ligação entre fase e neutro de sistemas onde não se garante a eficácia do aterramento.

TP – Tipos• Tipo Capacitivo – basicamente utilizam-se de dois

conjuntos de capacitores que servem para fornecer um divisor de tensão e permitir a comunicação através do sistema carrier.

Para-raios

Durante a sua vida útil, os para-raios são submetidos diferentes solicitações elétricas e ambientais:

• Tensão normal de operação;• Sobretensões temporárias;• Descargas de longa duração ou de alta intensidade e

curta duração;• Contaminação externa do invólucro, quando instalados

em ambientes poluídos;• Variações climáticas, exposição a raios ultra-violeta,

umidades elevadas, etc.

Características Construtivas

Para raios com Gap e resistor não-linear:

São constituídos basicamente:

• Resistor não-linear;• Corpo de porcelana;• Centelhador serie;• Desligador automático;• Protetor contra sobrepressao;• Mola de compressão.

Características Construtivas

Para raios com Óxido de Zinco:

São constituídos basicamente:

• Resistor não-linear;• Corpo de porcelana;• Corpo Polimérico.

Critérios para seleção e aplicação de para-raios em subestações

• Seleção das características de operação e de proteção dos para-raios, em função das características dos sistemas;

• Seleção ou determinação da suportabilidade da isolação;

• Avaliação da coordenação do isolamento.

Localização dos para-raios nas subestações

• Subestações abrigadas com entrada subterrânea:

Localização dos para-raios nas subestações

• Subestações abrigadas com entrada aérea:

Localização dos para-raios nas subestações

• Subestações de instalação exterior:

Localização dos para-raios nas subestações

• Instalação de captores Franklin em subestações de potencia de instalação exterior:

Disjuntores• Principais e mais eficientes equipamentos utilizados nas

subestações;

• No estado ligado ou desligado deve suportar as condições necessárias para seu funcionamento;

• Mesmo operando muitos meses em condições diversas climáticas deve atuar normalmente;

• Deve haver um bom dimensionamento para haver uma boa confiabilidade.

Aspectos Construtivos

Disjuntores a sopro magnético

• O arco voltaico é extinto nas câmaras de extinção;

• As forças que impelem o arco para dentro das fendas da câmara são produzidas pelo campo magnético da própria corrente, passando por uma ou mais bobinas;

• Eventualmente é também de auxilio um sopro pneumático auxiliar;

• São utilizados em média tensão de até 24KV.

Aspectos Construtivos

Disjuntor a óleo

• É utilizado o óleo para extinguir o arco elétrico;

• Utilizado o efeito do Hidrogênio e o efeito de fluxo líquido.

Aspectos Construtivos• Disjuntor a óleo

Aspectos Construtivos

Disjuntor a vácuo

• Baseia-se no principio da extinção do arco elétrico no vácuo pois no vácuo inexiste íons positivos e elétrons;

• Os íons positivos e elétrons são fornecidos pela nuvem de partículas metálicas provenientes da evaporação dos contatos formando o substrato para o arco voltaico;

• Rápida recuperação da rigidez dielétrica, o que permite altas capacidades de ruptura em câmaras relativamente pequenas.

Aspectos Construtivos

Disjuntor a vácuo

Aspectos Construtivos

Disjuntor a ar comprimido

• O mecanismo eletropneumático além de proporcionar a abertura e fechamento dos contatos faz a extinção do arco;

• Consiste em criar um fluxo de ar sobre o arco, fluxo este provocado por um diferencial de pressão.

Aspectos Construtivos• Disjuntor a ar comprimido

Aspectos Construtivos

Disjuntor a SF6

• Este gás possui uma série de propriedades físicas e químicas que o torna um meio isolante e extintor, por excelência;

• Se comporta como um gás nobre;

• As características isolantes do SF6 variam em função da pressão (na realidade em função da densidade) e são bastante superiores aquelas dos meios isolantes mais comuns usados em disjuntores que são o óleo mineral e o ar comprimido.

Aspectos Construtivos• Disjuntor a SF6

Relés

• Trabalham em conjunto com os disjuntores auxiliando na proteção;

• A corrente passando em sua bobina de acionamento cujo deslocamento do êmbolo, imerso no campo magnético formado por essa corrente, faz movimentar o mecanismo de acionamento do disjuntor.

Relés

De modo geral os relés são assim classificados:

• Relés de tensão

• Relés de corrente

• Relés de frequência

• Relés direcionais

• Reles de impedância

Relés

Os relés são divididos em duas categorias.

Primários: • Conhecidos como relés de ação direta;

• Empregados em pequenas e medias instalações industriais;

• Geralmente, dispensam transformadores redutores;

• Não necessitam de fonte auxiliar para promoverem o disparo do disjuntor.

Relés

Secundários:

• Também conhecidos como reles de ação indireta;

• Amplamente utilizados nas instalações de médio e grande porte;

• Necessitam de transformadores redutores como fonte de alimentação;

• Requerem, em geral, uma fonte auxiliar de corrente continua ou de corrente alternada.

Relés

Quanto à forma construtiva os relés são divididos em:

Fluidodinâmicos• Utilizam líquidos, em geral, o óleo de vaselina, como

elemento temporizador;• Normalmente são construídos para ligação direta com a

rede;• Possuem um embolo móvel que se desloca no interior de

um recipiente, no qual é colocada certa quantidade de óleo, que provoca a sua temporização quando o embolo é deslocado para fora do recipiente pela ação do campo magnético formado pela bobina ligada diretamente ao circuito a ser protegido.

Relés

Eletromagnéticos:• O principio de funcionamento se baseia na força de

atração exercida entre elementos de material magnético;• A força eletromagnética desloca um elemento móvel

instalado no circuito magnético de modo a reduzir sua relutância;

• Mesmo sendo muito encontrado em instalações antigas que o possuem, não é mais utilizado.

Relés

Eletrodinâmicos:

• Funcionam dentro do principio básico de atuação de duas bobinas – uma móvel interagindo dentro de um campo formado por outra bobina fixa, tal como se constroem os instrumentos de medida de tensão e corrente conhecidos como os de bobina móvel;

• Na realidade, eles não tem aplicação notável como elementos de proteção de circuitos primários, apesar de sua grande sensibilidade;

• Por outro lado, apresentam um custo normalmente superior aos demais citados anteriormente.

Relés

Indução:

• Também conhecidos como secundários;• Tendo sido largamente empregados em subestações

industriais de potência e concessionarias de serviço publico, na proteção de equipamentos de grande valor econômico.

Relés

Térmicos:

• Eles são atravessados pela corrente de fase do sistema, diretamente ou por meio de transformadores de corrente, e, através dos elementos térmicos com características semelhantes às características térmicas do equipamento que se quer proteger, atuam sobre o circuito de alimentação da bobina do disjuntor, desenergizando o sistema antes que a temperatura atinja valores acima do máximo permitido para aquela maquina em particular.

Relés

Eletrônicos:

• Fruto do desenvolvimento tecnológico da eletrônica dos sistemas de potencia;

• Na época em que eram fabricados atendiam a todas as necessidades de proteção dos sistemas elétricos, competindo em preço e desempenho com os modelos eletromecânicos, exceto em pequenos sistemas, quando se podiam utilizar os reles convencionais de ação direta, dispensando-se os transformadores de medida e as fontes auxiliares de alimentação.

Relés

Digitais:

• É uma proteção baseada em técnicas de microprocessadores;

• Mantem os mesmos princípios das funções de proteção e guardam os mesmo requisitos básicos aplicados aos reles eletromecânicos ou de indução e aos reles estáticos ou eletrônicos;

• No entanto, os reles digitais oferecem, além das funções dos seus antecessores, novas funções aos seus usuários adicionado maior velocidade, melhor sensibilidade, interfaceamento amigável, acesso remoto, armazenamento de informações etc.

Fusíveis• Dispositivos protetores que são utilizados para evitar que,

em caso de curto-circuito ou sobrecargas um circuito venha sofrer danos;

• Seccionamento e proteção que, pela fusão de um ou mais de seus componentes, especialmente projetado e dimensionado, abre o circuito no qual está inserido e interrompe a corrente elétrica quando esta superar um dado valor por um dado intervalo de tempo;

• Elo Fusível - é a parte do fusível que inclui o elemento fusível e que requer substituição depois da operação e antes que o fusível seja posto novamente em serviço.

Fusíveis HH • Média tensão, consistem basicamente de um tubo de cerâmica

com terminais, um corpo suporte para o elo de prata enrolado nesse corpo;

• Corpo suporte de cerâmica em forma de estrela separa as passagens ou estrangulamentos do elo;

• Elementos enrolados dentro das ranhuras não são tencionados e impossibilitados de se deslocar por vibração, expansão térmica ou qualquer outro efeito mecânico;

• O elo é totalmente envolvido pelo meio de extinção, de forma que sempre tem um certo volume de areia para extinguir o arco.

Fusíveis – Corrente Crítica

• Todos os fusíveis têm uma faixa de corrente crítica onde acontece a maior solicitação térmica, durante o desligamento da corrente. As correntes críticas são relativamente baixas;

• A corrente crítica é definida pela IEC 282 como a corrente 10ms de tempo de fusão multiplicado pelo fator 3 a 4.

Fusíveis – Corrente Mínima• Àquela em que o fusível consegue interromper sem ajuda de

dispositivos mecânicos. O valor é entre 2 a 3 vezes a corrente nominal;

• Em caso de curto-circuito todas as passagens queimam instantaneamente, isso não acontece na faixa de sobrecargas baixas, devido às tolerâncias na fabricação os e a disposição geométrica, queimam sempre passagens antes (geralmente as do centro), quais nesse caso devem suportar uma tensão bem mais elevada;

• Para evitar que fusíveis operem em correntes mínimas usa-se o percussor em combinação com uma seccionadora de carga que neste caso trata de interromper a corrente.

Elos Fusíveis• Esses elos são utilizados em chaves fusíveis instaladas

em cruzetas/postes de redes de distribuição- tensões nominais de 1 KV a 36,2 KV;

• Os tipos de elos fusíveis são:• H - elos fusíveis de alto surto, com alta temporização para

correntes elevadas - correntes nominais padronizadas: 1A, 2A, 3A e 5A;

• K - elos fusíveis rápidos - Grupo A: corrente nominais padronizadas: 6A, 10A, 15A, 25A, 40A, 65A, 100A, 140A e 200A. - Grupo B: 8A, 12A, 20A, 30A, 50A e 80A;

• T - elos fusíveis lentos - Grupos A e B: correntes nominais idênticas as dos tipos K, porem com valores de rapidez maiores do que esses

Fusíveis de alta Tensão

• Elementos fusíveis tipo cartucho - geralmente são dimensionados para pequenas correntes e utilizados, em vários casos, para suprir a ausência do disjuntor no circuito

Informações Importantes

• Corrente nominal do elo fusível;

• Intercambiabilidade elétrica e mecânica de elos fusíveis;

• Coordenação da Proteção;

• Composição (suporte base, isolador, gancho, olhal, porta-fusível, elo-fusível, argola)

Identificação do Fusível

• As seguintes informações devem ser marcadas em todos os fusíveis, com exceção dos muito pequenos:

• Nome ou marca registrada, pela qual pode ser facilmente identificado;

• Referência de catálogo ou designação de tipo;• Tensão e corrente nominal;• Faixa de interrupção e categoria de utilização (código de letra),

quando aplicável;• Tipo de corrente e, se aplicável, freqüência nominal.

Observações Complementares

• Pode ser indicado também a capacidade de ruptura de corrente em KA - função da corrente nominal e do valor e tipo da tensão que ele será submetido;

• Para o tipo de fusível NH inclui-se também o tamanho físico e consequentemente as mesmas características citadas para os tipos Diazed/Neozed/Silized;

• Os fusíveis são utilizados em série, ou seja, entre a fase e a carga.

• Exemplo de Normas ABNT aplicável para Elo-Fusível:

• NBR - 5369 - Elos Fusíveis de Distribuição – Especificação.• NBR - 8124 - Chaves Fusíveis de Distribuição – Padronização

Referencias Bibliográficas• http://www.fundec.edu.br/tecnico/seguranca_trabalho/trabalhos/

1.4.1%20-%20Para-raios.pdf• http://paginas.fe.up.pt/~jrf/aulas0506/sobreintensidade/resumo_sp.pdf• http://richardcoleon.files.wordpress.com/2011/12/capc3adtulo-5.pdf• MAMEDE, João. Manual de equipamentos elétricos, 1994, 2ª ed, LTC, p.

173-218.• http://www.energy.siemens.com/br/pt/transmissao-de-energia/

transformadores/transformadores-de-potencia/transformadores-de-forca.htm

• http://www.posmci.ufsc.br/teses/fbm.pdf• http://www.dee.feis.unesp.br/pos/teses/arquivos/281-

dissertacao_Renzo_Fabian_Espinoza.pdf• http://www.braspel.com.br/transformadores-de-potencial-interna-

bps12.html• http://www.gardy.ind.br/pdf/85fusivel.pdf