apostila do curso at

Instalações Elétricas – Alta Tensão 2007

Índice

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O sistema elétrico brasileiro................................................................................................A produção de energia elétrica ...........................................................................................O transporte de energia elétrica........................................................................................... Transmissão..................................................................................................................... Interconexão.................................................................................................................... Distribuíção.....................................................................................................................Aspectos organizacionais do setor elétrico brasileiro..........................................................Subestação........................................................................................................................... Equipamentos elétricos.................................................................................................... Pára-raio de distribuição.............................................................................................. Chave fusível unipolar.................................................................................................. Terminação................................................................................................................... Cabo de energia isolado................................................................................................ TC................................................................................................................................. TP.................................................................................................................................. Bucha de passagem....................................................................................................... Chave seccionadora primaria........................................................................................ Relé primário de ação direta......................................................................................... Disjuntor de potência (AT)........................................................................................... Fusíveis......................................................................................................................... Transformador de potência........................................................................................... Disjuntor de BT............................................................................................................ Voltímetro e amperímetro............................................................................................ Chave seccionadora tripolar (BT)................................................................................. Painéis para instalação elétrica.....................................................................................

O sistema elétrico brasileiro

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A indústria de energia elétrica temas seguintes atividades clássicas:

Produção Transmissão Distribuição e Comercialização

Entre a produção de energia elétrica até o seu consumo final existe um longo cominho pelo qual a energia elétrica é transportada, o qual é composto pelas redes de transmissão e de distribuição. Entre as redes de transmissão e de distribuição existe, em muitas situações, outra rede com função de repartir a energia, a esta rede dá-se o nome de subtransmissão.

Ao conjunto de instalações e equipamentos que se prestam para geração e transmissão de grandes blocos de energia dá-se o nome de Sistema elétrico de potência.

A produção de energia elétrica

As fontes de energia elétricas convencionais são as usinas hidrelétricas de grande porte e as usinas termelétricas movidas a carvão mineral, óleo combustível, gás natural ou nuclear (urânio enriquecido). Como fontes alternativas existem, entre outras, energia solar fotovoltaica, usinas eólicas, usinas que utilizam da queima de biomassa (madeira e cana de açúcar), pequenas centrais hidrelétricas e outras fontes que utilizam a força das marés.

Nas grandes usinas geradoras o nível de tensão na saída dos geradores síncronos esta na faixa de 6 kV a 25 kV.

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Como os geradores das hidrelétricas e termelétricas são síncronos com freqüência nominal de 60 Hz, observa-se que as máquinas da maior da maior usina do Brasil, a usina de Itaipú-Binacional, do lado paraguaio funcionam em 50 Hz, mas são interligados por um sistema de corrente contínua com a região Sudeste do Brasil. Conversores retificadores são usados para produzir a corrente contínua em Foz de Iguaçu – PR.

A tensão na saída dos geradores é ampliada a níveis mais altos com a ajuda de transformadores abaixadores das usinas. Isto é feito para viabilizar a transmissão a média e longa distância, diminuindo, dessa forma, as bitolas dos cabos condutores, com adequados níveis de perdas joule e de queda de tensão.

O transporte de energia elétrica

Junto às usinas subestações elevadoras transformam a energia para um nível de tensão adequado, o qual é função da potência a transportar e as distâncias envolvidas. O transporte de energia é feito por diferentes seguimentos da rede elétrica que são definidos com base na função que exercem:

Transmissão: redes que interligam a geração aos centros de cargas Interconexão: interligação entre sistemas independentes Subtransmissão: redes para casos onde a distribuição não se conecta a

transmissão, havendo um estágio intermediário de repartição de energia entre várias regiões

Distribuição: rede que interliga a transmissão ou subtransmissão aos pontos de consumo.

As tensões usuais de transmissão adotadas no Brasil,em corrente alternada, são de 138 kV até 765 kV, incluindo neste intervalo as tensões de 230 kV, 345 kV,440kv e 500 kV.

No Brasil existe um sistema que opera em corrente contínua, o sistema de Itaipu, com nível de tensão de 600 VDC.

A necessidade de sistemas de transmissão em tensão superior a de geração e de distribuição se deve a impossibilidade de transmitir diretamente, mesmo em distâncias pequenas, a potência elétrica gerada nas usinas, pois as correntes seriam elevadas e as quedas de tensão e as perdas de potência na transmissão inviabilizariam técnica e economicamente as transmissões.

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À medida que aumenta a demanda de energia, mais fontes necessitam ser exploradas e novas redes de transmissão necessitam ser construídas para conectar essas novas estações geradoras aos novos pontos de distribuição e também as estações já existentes, surgindo assim a interligação de sistemas.

O Sistema Elétrico Nacional é composto pelo Sistema Interligado Nacional (SIN), e pelos Sistemas Isolados, localizados principalmente no Norte do País.

O SIN é formado por empresas das regiões Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e parte da região Norte. Com tamanho e características que permitem considerá-lo único em âmbito mundial, o sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil é um sistema hidrotérmico de grande porte, com forte predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários.

A utilização dos recursos de geração e transmissão dos sistemas interligados permite reduzir os custos operativos, minimizar a produção térmica e reduzir o consumo de combustíveis, sempre que houver superávits hidrelétricos em outros pontos do sistema. Em períodos de condições hidrológicas desfavoráveis, as usinas térmicas contribuem para o atendimento ao mercado como um todo, e não apenas aos consumidores de sua empresa proprietária. Assim, a participação complementar das usinas térmicas no atendimento ao mercado consumidor também exige interconexão e integração entre os agentes.

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As interligações de sistemas elétricos também podem propiciar um melhor aproveitamento das disponibilidades energéticas de regiões com características distintas. Através da interligação pode-se fazer uma adequada troca de energia, sendo o excedente de uma exportado para outra e vice-versa.

Os sistemas isolados, tomados em conjunto, cobrem quase 50% do território nacional e consomem em torno de 3% da energia elétrica utilizada no País.

Os mais importantes Sistemas Isolados, do ponto de vista da dimensão do consumo, são os que atendem às capitais da região Norte – Manaus, Porto Velho, Macapá, Rio Branco e Boa Vista – exceto Belém, que está interligada ao SIN. Nos sistemas de Manaus, Porto Velho e Macapá, a geração de eletricidade é hidrotérmica. Em Rio Branco a geração local é puramente térmica, com o suprimento complementado por meio da interligação, em 230 kV, ao sistema de Porto Velho.

As linhas de transmissão e de subtransmissão convergem para as estações de distribuição, onde a tensão é abaixada, usualmente para o nível de 13,8 kV.

Destas subestações originam-se alguns alimentadores que se interligam aos transformadores de distribuição da concessionária ou aos consumidores em tensão primária.

A energia, sob tensão primária, é entregue a um grande número de consumidores tais como indústrias, centros comerciais, grandes hospitais etc. Os alimentadores primários suprem um grande número de transformadores de distribuição que abaixam o nível para a tensão secundária para uso doméstico e de pequenos consumidores comerciais e industriais.

Na maioria dos Estados brasileiros, principalmente nas regiões Norte e Nordeste, a área de concessão das empresas de distribuição corresponde aos limites geográficos estaduais; em outros, principalmente em São Paulo e no Rio Grande do Sul, existem concessionárias com áreas de abrangência menores. Há, também, áreas de concessão descontínuas, que ultrapassam os limites geográficos do Estado-sede daconcessionária.

Aspectos organizacionais do setor elétrico brasileiro

No Brasil o Poder Concedente, que regula e fiscaliza a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, é federal. Deste modo, as concessões são de responsabilidade do Ministério de Minas Energia (MME), enquanto a regulação e afiscalização são exercidas pela ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica.

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A atividade de fiscalização das distribuidoras de energia elétrica pode ser transferida para agências estaduais, o que ocorre em diversos Estados brasileiros. Além das agências reguladoras federal (Aneel) e estaduais outros organismos do setor elétrico são muito importantes e vitais para a adequada coordenação da expansão e da operação do sistema:

ONS - Operador Nacional do Sistema encarregado de planejar e coordenar a operação elétrica e energética do sistema brasileiro.

EPE – Empresa de Planejamento Energético, encarregada de planejar a expansão dos sistemas elétricos e energéticos.

CCEE – Câmara de Comercialização de Energia Elétrica, responsável pela administração dos contratos de compra e venda de energia e pela contabilidade da energia fornecida ou recebida pelos geradores, distribuidores, consumidores livres e comercializadores.

Subestação

Uma das partes mais importantes de todo sistema elétrico de potência é a subestação elétrica, pois é nela que ficam abrigados os equipamentos elétricos responsáveis pelo bom desempenho das instalações elétricas industriais.

O conceito de subestação é definido como: Instalação elétrica do consumidor destinada a receber o fornecimento de energia elétrica, em tensão primária de distribuição com uma ou mais das funções de proteção, medição e transformação.

Subestação ao Tempo: Subestação, cujos equipamentos estão ao tempo.

Posto de Transformação: Subestação, sujos equipamentos estão montados em poste ou estaleiro.

Cabina: Subestação, cujos equipamentos estão obrigados.

Cubículos Blindados: Cubículo metálico, auto-sustentável, destinado a abrigar o conjunto de medição, proteção e transformação.

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SUBESTAÇÃO AO TEMPO – SUBESTAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO EMEDIÇÃO EM AT PARA POTÊNCIA ATÉ 1000kVA

Obs: A figura acima foi obtida da NTD 06

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POSTO DE TRANSFORMAÇÃO 34,5kV – MEDIÇÃO EM BAIXA TENSÃO(Direta) INSTALAÇÕES ATÉ 45kVA BT 380/220 V


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FORNECIMENTO EM 34,5kV RAMAL AÉREO – CABINA DE MEDIÇÃOE TRANSFORMAÇÃO – MEDIÇÃO EM BT INSTALAÇÃO ATÉ 300kVA


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Para começarmos nosso estudo em equipamentos de subestação segue abaixo um diagrama unifilar característico de uma instalação elétrica industrial com entrada de serviço subterrânea.

Pára-raios de distribuição:

É um equipamento destinado à proteção de sobretensão provocada por descargas atmosféricas ou chaveamento na rede. Seu corpo é constituído de porcelana de alta resistência mecânica e elétrica, no qual estão alojados os principais elementos ativos do pára-raios.

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Resistores não-lineares são blocos cerâmicos feitos com material capaz de conduzir altas correntes de descarga com baixas tensões residuais. São formados de carboneto de silício e, também, óxido de zinco.

Chave fusível unipolar

É um equipamento destinado á proteção de sobrecorrente de rede, desde o ponto de entrega de energia até o disjuntor geral da subestação.

Seu elemento elo fusível, deve coordenar-se com os outros elementos de proteção do sistema da concessionária local. Caso contrário a chave fusível deve ser substituída por uma chave seccionadora.

Na sua versão mais comum é constituída por um corpo de porcelana no qual esta articulado um tubo, normalmente feito de fenolite ou fibra de vidro, e dentro deste encontra-se o elo fusível.

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Terminação

É um dispositivo destinado a restabelecer as condições de isolação da extremidade de um condutor isolado quando este for conectado a um condutor nu.

Os tipos mais conhecidos de terminais primários são as muflas de corpo de porcelana, os terminais primários termocontráteis, sendo aplicadas sobre o condutor usando uma fonte de calor; e existem ainda as terminações a frio, onde são aplicadas diretamente sobre o cabo, bastando retirar o dispositivo de plástico que arma o tubo da terminação.

Mufla terminal unipolar Terminal termocontrátil unipolar

Cabo de energia isolado

Atualmente, os cabos isolados mais comumente usados em instalações elétricas industriais são os de cobre, com isolação à base de PVC, de polietileno reticulado ou ainda os de borracha etileno-propileno.

Os cabos isolados da classe de tensão de 15 KV são constituídos de um condutor metálico revestido de uma camada de fita semicondutora por cima da qual é aplicada isolação. Uma segunda camada de fita semicondutora é aplicada sobre a blindagem metálica que pode ser composta de uma fita ou de fios elementares. Finalmente, o cabo é provido de uma camada externa de borracha, o PVC.

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Transformador de corrente - TC

Quando duas bobinas são enroladas sobre o mesmo núcleo, temos um componente derivado, chamado transformador. Cada uma das bobinas é chamada de enrolamento. Quando aplicamos uma tensão no primeiro enrolamento (chamado de primário), podemos retirar outra tensão, sendo gerada pelo segundo enrolamento (secundário).

Do ponto de vista construtivo temos:

Núcleo: Confeccionado com chapas de Aço-Silicio laminado, empilhadas e prensadas, as quais apresentam permeabilidades magnéticas elevadas.

Enrolamentos: Confeccionados com material condutor de alta condutividade, normalmente cobre, envernizados e isolados do núcleo.

Os enrolamentos do transformador são diferentes. O lado 1, normalmente denominado “primário”, apresenta N1 espiras e o do lado 2, denominado “secundário”, possui N2 espiras.

Os transformadores de corrente estão divididos em dois tipos fundamentais: transformadores de corrente para serviço de medição e transformadores de corrente para serviço de proteção.

O transformador de corrente é um equipamento capaz de reduzir a corrente que circula no seu primário para um valor inferior, no secundário, compatível com o instrumento registrador de medição.

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Transformador de corrente com isolação de resina epóxi

Os transformadores de corrente são constituídos de um enrolamento primário, feito normalmente de poucas espiras de cobre, um núcleo de ferro e um enrolamento secundário para a corrente nominal padronizada, normalmente de 5 A.

O valor da corrente secundária do TC varia segundo a corrente circulante no primário. Assim, um transformador de corrente de 100-5ª, inserido num circuito com corrente de 80 A, fornece uma corrente secundária de:

1005

= 80I stc→I stc=4 A

Deve-se tomar cuidado para não deixar em aberto os terminais secundários dos transformadores de correntes quando da desconexão dos equipamentos de medida a eles ligados, senão surgiram tensões elevadas por não haver o efeito desmagnetizante no secundário. Isto pode danificar a isolação do TC e levar perigo à vida das pessoas. Uma forma de proteger as pessoas é ligando uma chave C que permite curto-circuitar os terminais secundários do equipamento quando da retirada do aparelho (carga).

Os TCs podem ser classificados em diversos tipos, de acordo com a disposição do enrolamento primário e a construção do núcleo:

TC do tipo barra: é aquele em que o primário é constituído por uma barra fixada através do núcleo.

TC do tipo enrolado: é aquele em que o enrolamento primário é constituído de uma ou mais espiras envolvendo o núcleo.

TC do tipo janela: é aquele constituído de uma abertura através do núcleo por onde passa o condutor, que faz a vês do enrolamento primário.

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TC tipo bucha: é aquele cujas características são semelhantes às do TC tipo barra, porém a sua instalação é feita na bucha dos equipamentos (transformadores disjuntores, etc), que funciona como enrolamento primário.

TC do tipo núcleo envolvido: é aquele cujas características são semelhantes às do TC tipo janela, em que o núcleo pode ser separado para permitir envolver um condutor que funciona como enrolamento primário.

Transformador de potencial - TP

É um equipamento capaz de reduzir a tensão do circuito para níveis compatíveis coma tensão máxima suportável pelos aparelhos de medidas.

A tensão nominal primária do TP é função da tensão nominal do sistema elétrico ao qual esta ligado. A tensão secundária, no entanto, é padronizada e tem valor fixo de 115 V. Variando-se a tensão primária, a tensão secundária varia na mesma proporção.

Os TPs podem ser construídos para serem ligados entre fases de um sistema ou entre fase e neutro ou terra. Os TPs devem suportar uma sobretensão permanente de até 10%, sem que lhes ocorra nenhum dano. São próprios para alimentar instrumentos de impedância elevada, tais como voltímetros, bobinas de potencial de medidores de energia, etc.

Transformador de potencial de carcaça metálica em banho de óleo para ligação fase-fase.

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Em serviço de medição primária, os TPs em geral alimentam um medidor de KWh com indicação de demanda e um medidor de KVAr.

Quando forem utilizados TPs para medição de faturamento e indicativa, é necessário que se determine o valor da carga dos instrumentos a ser conectada, a fim de se poder especificar a carga correspondente do TP.

A norma classifica os TPs em três grupos de ligação. O grupo 1 abrange os TPs projetados para ligação entre fases. São de maior aplicação na medição industrial. O grupo 2 corresponde aos TPs projetados para ligação entre fase e neutro em sistemas com neutro aterrado sob impedância.

Os TPs são fornecidos em caixa metálica, em banho de óleo ou em resina epóxi. Os TPs em banho de óleo são apropriados para instalações em cubículos de medição em alvenaria e/ou cubículos metálicos de grandes dimensões; o segundo tipo é próprio para cubículos de dimensões reduzidas.

Bucha de passagem

Quando se deseja passar um circuito aéreo de um cubículo fechado a seu vizinho, normalmente são utilizadas buchas de passagens, que são constituídas de um isolador de louça, tendo como fixação o seu ponto médio.

Quanto ao uso as buchas de passagens podem ser classificadas em:

Bucha de passagem para uso interno-interno: é aquela que deve ser aplicada em locais em que dois ambientes são abrigados. Como exemplo podemos citar a bucha de passagem ligando os cubículos de medição e o cubículo de disjunção numa subestação de alvenaria.

Bucha de passagem para uso interno-externo: é aquela que conecta um circuito aéreo ao tempo a um circuito aéreo abrigado. Como exemplo podemos citar a bucha de passagem ligando a rede aérea primária ao cubículo de medição de uma subestação de alvenaria.

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Chave seccionadora primária

É um equipamento destinado a interromper, de modo visível, a continuidade metálica de um determinado circuito. Devido ao ser poder de interrupção praticamente nulo, as chaves seccionadoras devem ser operadas com o circuito a vazio (somente tensão). Também são fabricadas chaves seccionadoras interruptoras, do tipo manual ou automática, que são capazes de desconectar um circuito a plena carga.

As chaves seccionadoras podem ser construídas com um só pólo (unipolares) ou com três pólos (tripolares). As unipolares são próprias para utilização em redes aéreas de distribuição; as tripolares são normalmente utilizadas em subestações de instalação abrigada, em cubículo de alvenaria ou metálico.

Chave seccionadora tripolar de alta tensão

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Chave seccionadora tripolar de alta tensão (abertura sob carga)

Relé primário de ação direta

Os relés primários de ação direta são normalmente utilizados em subestações de consumidor de pequeno e médio portes (aproximadamente 3000 KVA). Nesses relés, a corrente de carga age diretamente sobre a sua bobina de acionamento, que tem o êmbolo imerso no campo magnético formado por essa corrente. O deslocamento do êmbolo faz movimentar o mecanismo de acionamento do disjuntor.

Relés de ação direta

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Quando as correntes de carga envolvidas são muito grandes, a bobina de acionamento do relé pode ser alimentada diretamente através do secundário de um transformador de corrente.

Relés de ação direta com TCs

Ao contrario dos relés de ação direta, existem os relés de ação indireta ou relés secundários, cuja bobina de acionamento esta ligada diretamente ao secundário dos transformadores de corrente.

Esquema para utilização de relés de ação direta

Os relés de ação direta podem ser classificados como:

Relés de sobrecorrente fluidodinâmico: são constituídos de uma bobina grossas espiras ligadas em série com o circuito a ser protegido. O relé dispõe de um

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êmbolo que esta contido no interior de um copo metálico dentro do qual se coloca certa quantidade estabelecida de óleo de vaselina.

Relés de sobrecorrente eletromagnéticos: existem alguns modelos de relés eletromagnéticos muito utilizados em instalações elétricas industriais e comerciais de média tensão. Seu uso em subestações de potência das concessionárias de energia elétrica é praticamente nulo devido a sua dificuldade de se coordenar com os elos fusíveis de distribuição e com os demais relés de aplicação rotineira dessas instalações.

Obs: A coordenação das proteções é ao ato de associar, de maneira seletiva, um dispositivo de proteção contra os curtos-circuitos (fusíveis ou disjuntores). Tem por objetivo interromper, em tempo, toda corrente anormal, sem perigo para as pessoas e assegurando uma proteção adequada da aparelhagem contra uma corrente desobrecarga ou uma corrente de curto-circuito.

Relés de sobrecorrente estáticos: São dispositivos fabricados de componentes estáticos, montados em caixa metálica blindada para evitar a interferência de campo magnético dos condutores de alta tensão, em cujos bornes dos disjuntores são instalados.

Relé eletrônico

Relés numéricos: dispositivo de proteção de caráter universal, concebido para rodar diferentes programas de proteção para as diferentes partes do sistema elétrico, oferecendo uma solução efetiva de custo com pouca diferença entre as diferentes aplicações.

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Exemplo de relés numéricos

Disjuntor de potência

É um equipamento destinado à manobra e à proteção de circuitos primários, capaz de interromper grandes potências de curto-circuito durante a ocorrência de um defeito.

Os disjuntores estão sempre associados a relés, sem os quais não passariam de simples chaves com alto poder de interrupção.

Entre os tipos mais conhecidos de disjuntores podem ser citados:

Disjuntores a grande volume de óleo;Disjuntores a pequeno volume de óleo;Disjuntores a vácuo;Disjuntores a hexafluoreto de enxofre (SF6).

Disjuntor a grande volume de óleo Disjuntor a pequeno volume de óleo

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Disjuntor a gás SF6

A maior vantagem dos disjuntores de grande volume de óleo sobre os de pequeno volume é a possibilidade de utilização de transformadores de corrente de bucha.

Fusíveis limitadores de corrente

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