apostila - transmissão de energia elétrica - curso básico

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TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA CURSO BÁSICO MARÇO/2008

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TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

CURSO BÁSICO

MARÇO/2008

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TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

CURSO BÁSICO

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PREFÁCIO

Este material tem como finalidade contribuir para a formação técnica de Operadores, Operadores Mantenedores e Técnicos da Plena Transmissoras. Baseado no conteúdo aplicado no treinamento para Operadores, realizado no mês de janeiro de 2008, em Brasília-DF, esta apostila foi elaborada elucidando de forma simplificada a teoria referente à Transmissão de Energia Elétrica. Com a participação de todos os colaboradores, através de comentários, críticas e sugestões, o Curso Básico “Transmissão de Energia Elétrica” será reformulado ao longo do tempo, de forma a se tornar material didático para consulta e aperfeiçoamento dos conhecimentos básicos sobre o tema abordado.

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TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

CURSO BÁSICO

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ÍNDICE 1 – Linhas de Transmissão................................................................................................................................................................................................................................................................5

1.1 – Introdução..........................................................................................................................................................................................................................................................................................5 1.2 – Constituição de uma Linha de Transmissão.................................................................................................................................................................................6 1.3 – Características Construtivas..................................................................................................................................................................................................................................7 1.4 – Processos e Componentes da Construção de uma Linha de Transmissão..................................................................................7

1.4.1 – Estrutura ou Torre..............................................................................................................................................................................................................................................7 1.4.2 – Ferragens e Isolador......................................................................................................................................................................................................................................9 1.4.3 – Cadeias de Fixação do Cabo Condutor............................................................................................................................................................................9 1.4.4 – Cabo Pára-raios................................................................................................................................................................................................................................................10 1.4.5 – Cabo Condutor....................................................................................................................................................................................................................................................10 1.4.6 – Cabo Contrapeso............................................................................................................................................................................................................................................11 1.4.7 – Espaçadores...........................................................................................................................................................................................................................................................12 1.4.8 – Amortecedores....................................................................................................................................................................................................................................................12 1.4.9 – Anel Anti-Corona..............................................................................................................................................................................................................................................13

1.5 – Isolação.............................................................................................................................................................................................................................................................................................14 1.5.1 – Isoladores....................................................................................................................................................................................................................................................................14 1.5.2 – Característica Mecânica dos Isoladores.......................................................................................................................................................................15 1.5.3 – Isoladores Poluídos......................................................................................................................................................................................................................................15 1.5.4 – Isoladores Quebrados..............................................................................................................................................................................................................................16

1.6 – Manutenção de Isoladores...................................................................................................................................................................................................................................16 1.7 – Manutenção em Cabos Condutores e Pára-raios.............................................................................................................................................................16

1.7.1 – Cabos Condutores.........................................................................................................................................................................................................................................16 1.7.2 – Critérios para Emenda ou Reparo de Cabos Condutores e Pára-raios........................................................................17 1.7.3 – Tipos de Reparos ou Emendas Usuais..........................................................................................................................................................................17

1.8 – Faixa de Servidão..............................................................................................................................................................................................................................................................17 1.8.1 – Faixa de Segurança....................................................................................................................................................................................................................................17 1.8.2 – Limpeza de Faixa............................................................................................................................................................................................................................................17

1.9 – Queimadas nas Faixas de Servidão......................................................................................................................................................................................................18 1.10 – Conectores...............................................................................................................................................................................................................................................................................19

2 – Equipamentos de Extra-Alta Tensão...................................................................................................................................................................................................................22 2.1 – Subestações..............................................................................................................................................................................................................................................................................22

2.1.1 – Simbologia.................................................................................................................................................................................................................................................................22 2.1.2 – Diagramas Básicos.......................................................................................................................................................................................................................................23 2.1.3 – Tipos de subestações...............................................................................................................................................................................................................................23 2.1.4 – Equipamentos de Subestações.................................................................................................................................................................................................23

2.1.4.1 – Transformadores de Potência...............................................................................................................................................................................23 2.1.4.1.1 – Tipos de Transformadores.............................................................................................................................................................24 2.1.4.1.2 – Acessórios...............................................................................................................................................................................................................25

2.1.4.1.2.1 – Relé Detector de Gás Tipo Buchhloz.........................................................................................25 2.1.4.1.2.2 – Termômetro para Líquido Isolante.................................................................................................26 2.1.4.1.2.3 – Termômetro para Enrolamento (Imagem Térmica)..............................................26 2.1.4.1.2.4 – Indicador Magnético de Nível de Óleo.....................................................................................26 2.1.4.1.2.5 – Válvula de Segurança / Dispositivo de Alívio de Pressão..........................26 2.1.4.1.2.6 – Acessórios Diversos............................................................................................................................................26

2.1.4.1.3 – Sistema de Isolação.................................................................................................................................................................................27 2.1.4.1.3.1 – Óleo Isolante Mineral..........................................................................................................................................27 2.1.4.1.3.2 – Esquema de Deterioração do Óleo Isolante....................................................................27 2.1.4.1.3.3 – Ensaios Físico-Químicos..............................................................................................................................27 2.1.4.1.3.4 – Tipos de Tratamento do Óleo Isolante.....................................................................................28 2.1.4.1.3.5 – Sistemas de Preservação do Óleo Isolante.....................................................................29

2.1.4.1.3.5.1 – Sílica-Gel......................................................................................................................................29 2.1.4.1.3.5.2 – Bolsa de Borracha/Membrana.....................................................................29 2.1.4.1.3.5.3 – Selado com N2....................................................................................................................31 2.1.4.1.3.5.4 – Drycol.................................................................................................................................................31

2.1.4.1.3.6 – Papel Isolante................................................................................................................................................................32 2.1.4.1.3.7 – Cromatografia................................................................................................................................................................33

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CURSO BÁSICO

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2.1.4.1.3.8 – Gases Gerados por Falha Interna..................................................................................................33 2.1.4.1.4 – Degradação da Celulose...................................................................................................................................................................33

2.1.4.2 – Transformadores de Corrente...............................................................................................................................................................................34 2.1.4.2.1 – Características Construtivas........................................................................................................................................................35 2.1.4.2.2 – Representação Gráfica e Polaridade de um TC............................................................................................39 2.1.4.2.3 – Caracterização de um Transformador de Corrente..................................................................................40

2.1.4.3 – Transformador de Potencial.....................................................................................................................................................................................40 2.1.4.3.1 – Características Construtivas........................................................................................................................................................41 2.1.4.3.2 – Tipos de Transformadores de Potencial....................................................................................................................41

2.1.4.3.2.1 – Transformadores de Potencial do Tipo Indutivo........................................................42 2.1.4.3.2.2 – Transformadores de Potencial do Tipo Capacitivo................................................43 2.1.4.3.2.3 – Caracterização de um Transformador de Potencial............................................44

2.1.4.4 – Banco de Reatores................................................................................................................................................................................................................44 2.1.4.5 – Disjuntor.................................................................................................................................................................................................................................................48

2.1.4.5.1 – Arco Elétrico.........................................................................................................................................................................................................49 2.1.4.5.2 – Princípios de Interrupção da Corrente Elétrica................................................................................................49 2.1.4.5.3 – Características Construtivas dos Disjuntores....................................................................................................50 2.1.4.5.4 – Componentes.....................................................................................................................................................................................................50 2.1.4.5.5 – Proteções Internas.....................................................................................................................................................................................57 2.1.4.5.6 – Possíveis Alarmes.......................................................................................................................................................................................58

2.1.4.6 – Chave Seccionadora...........................................................................................................................................................................................................58 2.1.4.6.1 – Seccionadoras para Subestações de Potência..............................................................................................59 2.1.4.6.2 – Características Construtivas das Chaves Seccionadoras..............................................................59 2.1.4.6.3 – Componentes.....................................................................................................................................................................................................59 2.1.4.6.4 – Tipos de Seccionadoras.....................................................................................................................................................................63 2.1.4.6.5 – Possíveis alarmes.......................................................................................................................................................................................63

2.1.4.7 – Pára-raios............................................................................................................................................................................................................................................63 2.1.4.8 – Serviço Auxiliar............................................................................................................................................................................................................................65

3 – Proteção de Sistemas Elétricos..................................................................................................................................................................................................................................66 3.1 – Requisitos e Conceitos de Proteção..........................................................................................................................................................................................................66

3.1.1 – Finalidades de uma Proteção...........................................................................................................................................................................................................66 3.1.2 – Terminologia...............................................................................................................................................................................................................................................................66

3.1.2.1 – Relés ou Dispositivos de Proteção....................................................................................................................................................................66 3.1.2.2 – Sistemas de Proteção...........................................................................................................................................................................................................67 3.1.2.3 – Funções de Proteção.............................................................................................................................................................................................................67

3.1.3 – Requisitos Básicos de um Sistema de Proteção.................................................................................................................................................68 3.1.4 – Zonas de Proteção............................................................................................................................................................................................................................................68 3.1.5 – Proteção Principal e Proteção de Retaguarda........................................................................................................................................................69

3.1.5.1 – Proteção Principal.......................................................................................................................................................................................................................69 3.1.5.2 – Proteção de Retaguarda...................................................................................................................................................................................................70

3.2 – Funções de Proteção........................................................................................................................................................................................................................................................70 3.2.1 – Função de Seqüência Negativa.....................................................................................................................................................................................................70 3.2.2 – Função Direcional de Sobrecorrente.....................................................................................................................................................................................71 3.2.3 – Função de Tensão.............................................................................................................................................................................................................................................72 3.2.4 – Função de Distância.......................................................................................................................................................................................................................................73 3.2.5 – Oscilação de Potência.................................................................................................................................................................................................................................75 3.2.6 – Fechamento sobre Falta (“Switch on to fault protection”) – Função 50/27...................................................................76 3.2.7 – Proteção STUB Bus.........................................................................................................................................................................................................................................76 3.2.8 – Função Comparação de Fase..........................................................................................................................................................................................................76 3.2.9 – Função Diferencial.............................................................................................................................................................................................................................................78 3.2.10 – Função de Sobrecarga Térmica................................................................................................................................................................................................80 3.2.11 – Relé de Bloqueio..............................................................................................................................................................................................................................................80

3.3 – Religamento Automático..............................................................................................................................................................................................................................................81 3.3.1 – Função Religamento Automático (79)..................................................................................................................................................................................81 3.3.2 – Função “Check de Sincronismo” (25)...................................................................................................................................................................................82 3.3.3 – Religamento Automático de Linhas de Transmissão....................................................................................................................................82

3.4 – Teleproteção..................................................................................................................................................................................................................................................................................83 3.4.1 – Meios de Comunicação..............................................................................................................................................................................................................................84 3.4.2 – Esquemas de Teleproteção.................................................................................................................................................................................................................84

3.4.2.1 – Esquemas de Comparação de Fase...............................................................................................................................................................84

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CURSO BÁSICO

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3.4.2.2 – Esquemas Diferenciais........................................................................................................................................................................................................85 3.4.2.2.1 – Fio Piloto....................................................................................................................................................................................................................85 3.4.2.2.2 – Outros Meios de Comunicação...............................................................................................................................................86

3.4.2.3 – Esquemas de Transferência de Sinal de Trip (“TRANSFERRED TRIPPING”)..............................86 3.4.2.3.1 – Esquema de Transferência Direta de Trip com Subalcance (DUTT).............................86 3.4.2.3.2 – Esquema de Transferência de Trip Permissivo com Subalcance (PUTT).............87 3.4.2.3.3 – Esquema de Transferência de Trip Permissivo com Sobrealcance (POTT)......88 3.4.2.3.4 – Esquema de Transferência de Trip Direto (DTT).........................................................................................89

3.4.2.4 – Esquemas de Comparação Direcional (“DIRECTIONAL COMPARISON”).........................................89 3.4.2.4.1 – Esquema BLOCKING de Comparação Direcional.....................................................................................90 3.4.2.4.2 – Esquema UNBLOCKING de Comparação Direcional...........................................................................90

3.4.2.5 – Esquemas de Aceleração ou Prolongamento de Zona de Proteção de Distância....................91 3.5 – Proteção de Barramentos..........................................................................................................................................................................................................................................92

3.5.1 – Modos de Proteção...........................................................................................................................................................................................................................................92 3.5.1.1 – Proteção Remota..........................................................................................................................................................................................................................92 3.5.1.2 – Proteção Local (Diferencial).........................................................................................................................................................................................93

3.5.1.2.1 – Tipos Básicos de Função Diferencial para Barras.....................................................................................93 3.5.1.2.1.1 – Simples Balanço de Corrente................................................................................................................93 3.5.1.2.1.2 – Diferencial Percentual.......................................................................................................................................94 3.5.1.2.1.2 – Diferencial de Alta Impedância............................................................................................................95

3.5.2 – Configurações de Barras e Zonas de Proteção.....................................................................................................................................................96 3.5.2.1 – Barra Simples.....................................................................................................................................................................................................................................96 3.5.2.2 – Barra Simples com Seccionamento.................................................................................................................................................................96 3.5.2.3 – Barra Simples com Disjuntor de Seccionamento.........................................................................................................................97 3.5.2.4 – Barra Dupla...........................................................................................................................................................................................................................................98 3.5.2.5 – Barra Dupla com Barra e Disjuntor de Transferência............................................................................................................98 3.5.2.6 – Barra Dupla com Seccionamento de Barras e Dois Disjuntores de Acoplamento.....................99 3.5.2.7 – Esquema Disjuntor e Meio.............................................................................................................................................................................................99 3.5.2.8 – Esquema com Dois Disjuntores por Circuito...................................................................................................................................100 3.5.2.9 – Esquema Anel...............................................................................................................................................................................................................................101

3.6 – Proteção de Falha de Disjuntor.....................................................................................................................................................................................................................101 3.6.1 – Esquemas de Falha de Disjuntor.............................................................................................................................................................................................103 3.6.2 – O Sensor de Corrente 50BF...........................................................................................................................................................................................................104

4 – Operação do Sistema Elétrico...................................................................................................................................................................................................................................104 4.1 – Sistemas de Potência..................................................................................................................................................................................................................................................104

4.1.1 – Esquema da Utilização da Energia Elétrica.............................................................................................................................................................105 4.1.2 – Sistemas Interligados................................................................................................................................................................................................................................106

4.2 – Recomposição do Sistema Elétrico........................................................................................................................................................................................................107 4.3 – Controle de Tensão.........................................................................................................................................................................................................................................................110

4.3.1 – Efeitos Danosos das Variações de Tensão.............................................................................................................................................................110 4.3.2 – Balanço de Potência Reativa e seu Efeito sobre a Tensão do Sistema.......................................................................111 4.3.3 – Controle de Tensão Ideal X Realidade do Sistema.....................................................................................................................................112 4.3.4 – Geração e Absorção de Potência Reativa.................................................................................................................................................................113

4.3.4.1 – Máquinas Síncronas............................................................................................................................................................................................................113 4.3.4.2 – Capacitores Shunt...................................................................................................................................................................................................................113 4.3.4.3 – Capacitores Série.....................................................................................................................................................................................................................113 4.3.4.4 – Linhas Longas...............................................................................................................................................................................................................................114 4.3.4.5 – Reatores Shunt............................................................................................................................................................................................................................116 4.3.4.6 – Compensadores Estáticos..........................................................................................................................................................................................116 4.3.4.7 – Tapes de Transformadores.......................................................................................................................................................................................116

4.3.5 – Uso Combinado dos Diversos Equipamentos de Controle de Tensão...........................................................................117 Referência Bibliográfica..................................................................................................................................................................................................................................................................118

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1 – Linhas de Transmissão 1.1 – Introdução Desde o início da civilização, o homem aprendeu a utilizar a energia existente na natureza para executar os trabalhos necessários a sua sobrevivência e bem estar. Em princípio, o centro gerador dessa energia era o próprio homem através do seu esforço muscular. Quando as cargas de trabalho exigiram maior esforço, o homem explorou as forças da natureza para suprir suas próprias limitações. Com a descoberta de várias fontes de energia, tais como: a energia motora dos animais, a energia cinética dos ventos e das águas, dentre outras, começava a aparecer o conceito de carga como centro consumidor de energia e também o conceito de geração como centro produtor de energia. Para transformar a energia encontrada na natureza em energia apropriada para consumo, surgiram os elementos transformadores, por exemplo, o moinho de vento, roda d’água, etc. As fontes de energia existentes junto dos centros de carga tornaram-se insuficientes em função do crescimento da população, havendo portanto, a necessidade de transportar esta energia. Com esta necessidade estava formando então o conceito primitivo dos Sistemas Energéticos, isto é:

a) Geração de energia; b) Transporte; c) Transformação; d) Consumo de energia (carga).

Com a descoberta da corrente alternada iniciou-se um aproveitamento maior da energia elétrica. Fontes geradoras de eletricidade, afastadas dos grandes centros consumidores, passaram a ser economicamente exploradas. Com isso, surgiram os Sistemas Elétricos de Energia, responsáveis pelo equilíbrio geração-consumo desta energia. De uma maneira geral, um Sistema de Energia Elétrica é composto das seguintes partes:

a) Usinas Geradoras; b) Subestações Elevadoras; c) Linhas de Transmissão; d) Subestações Abaixadoras Terminais; e) Linhas de Sub-Transmissão; f) Subestações de Distribuição; g) Linhas de Distribuição Primária; h) Transformadores de Distribuição; i) Linhas de Distribuição Secundária; j) Consumidores.

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Sistema de Energia Elétrica

1.2 – Constituição de uma Linha de Transmissão Para se realizar a construção de uma linha de transmissão é necessário que sejam verificados e atendidos certos critérios construtivos. A Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT regulamentou a norma de Projetos de Linhas de Transmissão de Energia Elétrica, a Norma NB-182, e hoje revisada pela Norma NBR 5422, estabelecendo em seu conteúdo e nas suas referências toda uma rede de Normas onde, necessariamente, as concessionárias de serviços públicos de energia elétrica, firmas de projetos e fabricantes desse ramo de atividade terão de recorrer.

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A NBR 5422 fixa condições básicas para o projeto de Linhas Aéreas de Transmissão com tensão máxima, valor eficaz Fase-Fase acima de 38 KV e não superior a 800 KV, de modo a garantir níveis mínimos de segurança e limitar perturbações em instalações próximas. 1.3 – Características Construtivas Para se construir uma linha de transmissão, além de atender as determinações de Lei, torna-se necessário um estudo de viabilidade técnico-econômica. Alguns parâmetros construtivos exigem estudos profundos. Um deles é a escolha do traçado da linha de transmissão, onde a técnica moderna do traçado deve levar em conta obstáculos naturais (morros, rios, vilas, povoados, etc.) ou vias de acesso, indispensáveis para a construção e principalmente para a manutenção futura. Isto geralmente resulta de um compromisso entre o aumento de comprimento da linha e número de ângulos a serem introduzidos e o maior custo de construção. A definição do traçado viável é baseada em levantamentos aerofotogramétricos existentes ou a serem realizados. Com este traçado preliminar, faz-se um levantamento topográfico que consiste normalmente na demarcação do eixo da linha, com medições transversais nas regiões onde a topografia do terreno poderia prejudicar as distâncias livres entre condutores e terra. Neste levantamento, anota-se também detalhadamente a natureza do terreno, a vegetação, as zonas inundáveis, os obstáculos como cercas, edificações, linhas de AT e BT, divisas, nomes de proprietários, estradas ou caminhos de acesso. Atualmente se desenvolvem técnicas de construção com aparelhos topográficos com o uso de raios laser, infra-vermelho e gravações em fitas de leituras. Isto permite resultados de alta precisão e segurança, como também, posterior processamento dos dados por computador. Após este processo e definido o traçado, inicia-se o processo construtivo da linha de transmissão com definição do projeto de linha (tensão, tipo de cabo, tipo de torres, etc.), limpeza da faixa de servidão, estradas de acesso e locação das torres. 1.4 – Processos e Componentes da Construção de uma Linha de Transmissão Quando da locação das torres, é realizado no local uma sondagem do terreno, para definir o tipo de fundação. Após definida, é feita a demarcação das cavas, seguida das escavações. Concluídas as escavações, iniciam-se os processos de montagem das bases, nivelamento das mesmas e posterior complemento da montagem. 1.4.1 – Estrutura ou Torre É o elemento suporte de uma linha de transmissão. Tem por finalidade a sustentação dos cabos condutores de energia e pára-raios. Os tipos usuais são:

Entreliçada: auto-portante ou estaiada; Tubular: auto-portante; Concreto: auto-portante; Madeira: auto-portante (tensões inferiores a 88 KV).

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Estruturas ou Torres

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Sinalização das Estruturas ou Torres Tem por finalidade, chamar a atenção para possíveis obstáculos que existem na diretriz da linha.

Esfera de Sinalização Aérea

1.4.2 – Ferragens e Isolador Têm por finalidade a fixação do cabo pára-raios na torre com ou sem isolação. Os tipos usuais são:

Suspensão; Ancoragem.

1.4.3 – Cadeias de Fixação do Cabo Condutor Têm por finalidade a sustentação e isolação do cabo condutor à torre. A isolação é feita por isoladores entre o cabo condutor e a torre. Os tipos usuais são:

Suspensão simples; Suspensão dupla; Suspensão em “V”; Ancoragem simples; Ancoragem dupla; Ancoragem em balanço.

Cadeia de Suspensão Simples para Quatro Condutores

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Cadeia de Ancoragem Dupla

1.4.4 – Cabo Pára-raios; Têm por finalidade proteger a linha de transmissão contra as perturbações atmosféricas. Normalmente usa-se cabo de aço de 5/16’ ou 3/8’ para cabo pára-raios, lançado na parte superior da torre. O cabo pára-raios é ligado à torre através das ferragens de fixação. As eventuais descargas elétricas atmosféricas circulam pelo cabo de aço, pela torre e pelo sistema de aterramento (contrapeso). 1.4.5 – Cabo Condutor Tem por finalidade transportar a energia elétrica. É formado por um conjunto de fios de alumínio ou cobre, em função da boa condutibilidade e existência na natureza em quantidades economicamente exploráveis desses materiais. Os cabos para terem maior resistência mecânica são fabricados com uma alma de aço, que é o conjunto de fios de aço que compõem a parte central do cabo. Usa-se como unidade de medida de cabo o AWG (American Wire Gauge) ou CM (Circular Mil). Os tipos usuais são:

Sem alma de aço; Com alma de aço; Com alma de aço zincado.

Tipos de Cabos e Bitolas São definidos em função da quantidade de energia a ser transportada, da tensão da linha, do efeito corona, da rádio e TV interferência, dos vãos entre torres e da quantidade de cabos por fase. Os fabricantes de cabos, além do tipo e bitola, caracterizam os mesmos por nome: Turkey, Penguin, Partridge, Linnet, Grosbeak, Rail, Falcon.

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Formação de Cabos de Alumínio

1.4.6 – Cabo Contrapeso Tem por finalidade o aterramento das torres. Por ele escoam as cargas elétricas oriundas de perturbações atmosféricas, indução da linha e da própria linha em caso de acidente como ruptura da cadeia de isoladores ou rompimento do cabo condutor. Ele é constituído por um fio, cabo de aço ou fita metálica e enterrado em média de 50 a 70 cm longitudinalmente ao longo da faixa, no alinhamento das torres e acoplados às mesmas por conectores. Os tipos usuais são:

Aterramento normal; Aterramento contínuo; Aterramento por hastes; Aterramento interligado; Aterramento especial.

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Aterramento Especial

1.4.7 – Espaçadores Têm por finalidade a separação dos cabos múltiplos (feixes) de cada fase. Eles podem ser simples (função de separar) ou espaçador-amortecedor.

Espaçador

1.4.8 – Amortecedores Têm por finalidade, eliminar as vibrações eólicas e de rotação que podem ocasionar na destruição da linha se não forem eliminadas. Para as fases de cabos múltiplos, costumam-se construir espaçadores com buchas elásticas, com efeito amortizante, fazendo também a função amortecedor. Os tipos usuais são:

Espaçador simples; Espaçador simples com amortecedor; Amortecedor passivo; • Grampos poliarticulados • Varilhas antivibratórias • Pontes antivibratórias

Amortecedor ativo com freqüência própria; • Stokbridge • Pneumático • Hidráulicos

Amortecedor ativo sem freqüência própria; • Com molas • Com pesos.

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Amortecedores

1.4.9 – Anel Anti-Corona O problema de distribuição não uniforme dos potenciais foi considerado muito grave quando se iniciou o emprego de cadeias de isoladores, observando-se perfurações do dielétrico nos primeiros elementos da cadeia, como também correntes de escape sobre sua superfície. Procuraram-se então, meios de se evitar esse problema. Primeiramente, sugeriu-se o emprego de discos com maiores tensões disruptivas junto aos condutores. Posteriormente, foram inventados os anéis distribuidores de potencial. Esses anéis distribuidores de potencial têm como principal finalidade aumentar a capacitância entre as peças metálicas dos isoladores e condutores, a qual desprezada na dedução anterior. Eles não provocam a distribuição uniforme em todos os isoladores da cadeia, porém reduzem substancialmente o potencial a que fica submetido o isolador inferior. Os anéis de potencial, no entanto, reduzem a distância disruptiva da cadeia, principalmente quando associados com outros anéis ou chifres na parte superior, reduzindo, portanto, sua eficiência. Essa associação, originada na mesma época, tinha como finalidade principal evitar que um eventual arco disruptivo, ao longo da cadeia de isoladores, queimasse sua superfície.

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Com o aprimoramento da técnica de fabricação de porcelana, a melhoria de sua resistência dielétrica, bem como o aperfeiçoamento da qualidade do material para a vitrificação, e principalmente de seus desenhos, relegaram o problema da perfuração e queima das superfícies pelo arco a um plano secundário, aconselhando-se, hoje, o abandono do emprego dos anéis de potencial e chifres, mesmo nas tensões elevadas e extra-elevadas. Nas linhas de tensão extra-elevadas verificam-se, no entanto, grandes concentrações de potenciais nas angulosidades e arestas inevitáveis das ferragens de suspensão, de forma que são adotados anéis distribuidores chamados anéis de guarda, colocados lateralmente aos grampos de suspensão.

Anéis Anti-Corona

1.5 – Isolação O bom desempenho de uma linha de transmissão está diretamente ligado ao seu isolamento. Nos projetos atuais são levados em consideração para dimensionamento do isolamento da mesma, os seguintes fatores: classe de tensão, surtos de tensão por manobra, resistência de aterramento, contaminação industrial e ou salina, nível isoceráunico da região, densidade relativa do ar e pressão atmosférica. 1.5.1 – Isoladores Em regras gerais, os ensaios realizados pelos fabricantes de isoladores abrangem ensaios elétricos e mecânicos, que são:

Tensão crítica de descarga a seco, sob impulso, polaridade positiva e negativa; Tensão de descarga a seco e sob chuva, à freqüência industrial; Tensão suportável a seco e sob chuva em um minuto, à freqüência industrial; Tensão de perfuração em óleo; Nível de rádio interferência (RIV); Choque térmico; Galvanização; Eletromecânico de ruptura.

Estes ensaios normalmente são relativos a aceitação de encomendas que obedecem a determinadas Normas, Padrões e Especificações das empresas compradoras.

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1.5.2 – Característica Mecânica dos Isoladores Os tipos de isoladores empregados nas linhas de transmissão podem ser do tipo vidro ou porcelana, onde embora tenham características elétricas e mecânicas semelhantes, possuem uma diferença bastante acentuada no que diz respeito aos impactos. A resistência ao impacto (resiliência) depende da direção de sua incidência em relação ao ângulo formado pela aba da saia do isolador. A direção de incidência prevista pela Norma ABNT MB-22, para efeitos de ensaios, é longitudinal. A resiliência dos isoladores de porcelana é fraca, enquanto que para os de vidro é considerada boa.

Isolador de Porcelana

1.5.3 – Isoladores Poluídos À medida que os níveis de tensão dos sistemas elétricos vêm se elevando, por necessidades técnicas e econômicas, os sistemas passam a ser mais precisos e eficazes. Se por um lado os sistemas tornam-se mais precisos, por outro lado aumentam os pontos vulneráveis às sobretensões. O problema se agrava quando o sistema abrange áreas sujeitas à poluição industrial e/ou áreas sujeitas a poluição salina. O efeito da poluição nos isoladores depende dos fatores:

Substância depositada sobre os isoladores, qualitativa e quantativamente; Posição das cadeias de isoladores (vertical, horizontal ou em “V”); Torre (tipo, distância da cadeia à torre); Natureza geológica do solo; Tipo de isolador (contorno, distância de escoamento).

Existem também, casos de queima ou quebra em isoladores devido a descargas atmosféricas, porém tal falha depende da intensidade das mesmas.

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Em alguns destes casos, quando ocorre uma falha no isolador, esta pode provocar a queda do cabo condutor ou pára-raios, representando riscos pessoais e materiais. 1.5.4 – Isoladores Quebrados Um dos problemas de manutenção de linhas de transmissão que mais tem se agravado ultimamente é a manutenção com isoladores. As linhas de distribuição, situadas nas regiões urbanas, são as que mais preocupam, devido às causas de vandalismo. As linhas de transmissão também são afetadas com a quebra de isoladores, porém em menor escala. 1.6 – Manutenção de Isoladores Os métodos normalmente utilizados para se detectar ou substituir os isoladores comprometidos são:

Inspeção periódica terrestre ou aérea; Análise do desempenho da LT com relação aos desligamentos sem causa definida; Ensaios em cadeias, para verificação do grau de poluição; Limpeza manual (não apresenta resultado satisfatório em longo prazo); Utilização de graxa de silicone ou borracha de silicone (melhor resultado, porém

muito caro); Aumento do número de isoladores (problemas de distâncias fase-terra); Substituição dos isoladores padrão por isoladores anti-poluição (desempenho 40%

superior ao padrão); Lavagem de isoladores com a linha energizada.

1.7 – Manutenção em Cabos Condutores e Pára-raios 1.7.1 – Cabos Condutores Os cabos condutores constituem os elementos ativos das linhas de transmissão, e foram definidos por constituírem fundamental importância no dimensionamento e o bom desempenho das linhas. Na seleção dos cabos condutores para linhas de transmissão aéreas de Extra-alta Tensão são considerados dois parâmetros básicos:

Capacidade de corrente; Gradiente superficial.

No critério sobre capacidade de corrente são analisadas a seção reta do condutor, para minimizar as perdas ativas, e a capacidade de transportar corrente sob condições de sobrecarga e sob ponto de vista do gradiente superficial são considerados, entre outros, os níveis de corona visual, perdas corona e rádio interferência. Quando um cabo condutor é danificado, o seu reparo ou a emenda do mesmo, deve ser tal que sejam reconstituídos os critérios que nortearam a seleção do cabo. Deve ser observado ainda para que a tensão máxima de esticamento que o condutor fica submetido, não seja alterada, ou seja, deve ser mantida a capacidade mecânica do condutor.

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1.7.2 – Critérios para Emenda ou Reparo de Cabos Condutores e Pára-raios Os cabos condutores e pára-raios estão expostos a diversos fatores que podem danificar alguns fios ou mesmo levar à sua ruptura. Dentre estes fatores, podemos citar as descargas atmosféricas, explosões de pedreiras próximas às linhas, vandalismo, curto-circuito, pontos de aquecimento, vibrações e quedas de torres. Em função dos fatores, o critério para manutenção é função da causa ocorrida. 1.7.3 – Tipos de Reparos ou Emendas Usuais

Reforço Pré-formado ou Protetor de Linhas Pré-formado; Armadura Pré-formada; Emenda Condutora Pré-formada; Emenda Total Pré-formada; Luvas de Reparo Tipo Compressão; Emenda a Compressão.

Emenda Pré-formada

1.8 – Faixa de Servidão 1.8.1 – Faixa de Segurança A largura de uma faixa de segurança de uma linha de transmissão de energia elétrica é determinada levando-se em conta o balanço dos cabos devido a ação dos ventos, efeitos elétricos e posicionamento das fundações de suportes e estais. 1.8.2 – Limpeza de Faixa Deverá ser prevista uma faixa limpa com largura suficiente e segura que permita a implantação, operação e manutenção da linha. O desmatamento da faixa deverá ser reduzido ao mínimo estritamente necessário para assegurar condições satisfatórias de construção, operação e manutenção da linha. O revestimento vegetal que existe na faixa deverá sofrer limpeza seletiva. No desmatamento, nas áreas onde a preservação é permanente, só poderão ser abertas clareiras, que permitam a locação e montagem. Nas áreas de canaviais, deve-se preceder a erradicação total do mesmo na faixa de segurança. A limpeza da faixa de segurança e construção de estradas de acesso devem ser executadas procurando-se limitar ao mínimo seu impacto sobre o meio ambiente. Devem ser evitados desmatamentos e cortes no terreno que desencadeiem ou acelerem processos de erosão e ou afetem mananciais na região.

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1.9 – Queimadas nas Faixas de Servidão Quando ocorrem queimadas dentro das faixas de segurança, as linhas de transmissão que ali estão em operação, causam verdadeiros caos públicos quando acontece de se desligarem. Uma queimada pode danificar uma estrutura ou um cabo condutor de uma linha, onde milhares de pessoas poderão ter problemas de:

Residências sem luz, falta de comunicação por rádio ou TV, não conservação de alimentos por falta de geladeira, ar-condicionado, ventilador, etc.;

Usinas de açúcar e fábricas de adubos e produtos agrícolas sem produzir, prejudicando a vida da população que vive no campo;

Hospitais sem energia elétrica, principalmente durante cirurgias, causando risco de perda de vidas humanas;

Escolas sem aula. Para que sejam evitados corte no fornecimento de energia elétrica e não ocorram os problemas citados, é necessário que:

Não coloque fogo embaixo ou nas proximidades das linhas; Não plantar cana-de-açúcar ou qualquer tipo de capim sob as linhas, evitando o

risco de fogo acidental; Não deixar vegetação já cortada sob as linhas, usando meios mecânicos ou

manuais para executar a limpeza da faixa, nunca o ateamento de fogo; Nunca deixe de construir carreadores nas laterais das linhas; Deixe sempre uma faixa de 20 metros para cada lado da faixa de servidão livre de

fogo.

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Folder de Campanha Anti-Queimada

1.10 – Conectores Os conectores das subestações e das linhas estão constantemente expostos a diversas influências que podem levar a um mau desempenho dos mesmos e, como conseqüências acarretar danos às instalações e interrupções do sistema. Dessas influências, as principais são:

Ambientais: umidade, contaminação, etc. Elétricas: aquecimento, corona. Mecânicas: esforços devido a curtos-circuitos, vibrações.

Pontos Quentes Normalmente, é de se esperar que os conectores possuam temperatura igual ou menor que o condutor ao qual está ligado, pois possuem massa, seção reta e superfícies maiores. Todavia, o aumento da resistência devido às influências já citadas, pode levar a um aumento da temperatura pela dissipação de energia. Torna-se necessário que seja feita uma inspeção periódica para detectar as conexões com sobreaquecimento, e providenciar a sua manutenção preventiva ou corretiva. Esta inspeção deve ser realizada através do equipamento Termovisor, onde após a inspeção é definida, por normas e critérios, a manutenção dos conectores que apresentam sobreaquecimento. Algumas empresas, devido a necessidade de análise do comportamento dos vários tipos de conectores, têm seus mapas de conectores, de modo a permitir a localização, identificação e acompanhamento dos mesmos.

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No Relatório de Inspeções por Termovisor, a folha de Registro de Ensaio deverá conter a identificação do equipamento ou componente com sobreaquecimento, bem como a temperatura real do objeto acima do ambiente e do adjacente, além de outras informações. Baseados nas diferenças de temperatura entre objetos acima do ambiente e do adjacente, são estabelecidos critérios para a manutenção. Nos conectores, grampos e luvas prensados, quando ocorre o caso de variação de temperatura acima dos 10 ºC, o conector deve ser substituído imediatamente. Na conexão prensada, só conseguimos verificar a causa falha/aquecimento realizando testes metalográficos. A seguir, são ilustradas as estruturas mais comumente utilizadas.

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2 – Equipamentos de Extra-Alta Tensão 2.1 – Subestações Uma subestação é um conjunto de equipamentos de manobra e/ou transformação e compensação usados para dirigir o fluxo de energia em um sistema de potência e possibilitar a sua diversificação através de rotas alternativas, ao mesmo tempo que permite a instalação de dispositivos de proteção automática capazes de detectar faltas no sistema e de isolar os trechos onde as mesmas ocorrem. 2.1.1 – Simbologia A simbologia a seguir indicada é usualmente empregada na elaboração de diagramas unifilares, para a representação convencionada dos equipamentos:

Tabela de Simbologia

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2.1.2 – Diagramas Básicos Os tipos de diagramas mais comumente usados são:

Unifilar: Representação de um sistema polifásico por um fio; Trifilar: Proteção; Esquemático: Funcional; Lógico: Proteção e Controle; Interligação: Ligação; Painéis; Arranjo Físico.

2.1.3 – Tipos de Subestações As subestações, quanto ao tipo são divididas em:

Elevadoras; Abaixadoras; Manobra; Distribuição.

2.1.4 – Equipamentos de Subestações Uma subestação compreende usualmente os seguintes equipamentos: 2.1.4.1 – Transformadores de Potência Transformador é um equipamento de operação estática que por meio de indução eletromagnética transfere energia de um circuito, chamado primário, para um ou mais circuitos denominados, respectivamente, secundário e terciário, sendo, no entanto, mantida a mesma freqüência, porém com tensões e correntes diferentes. Na sua concepção mais simples, um transformador é constituído de dois enrolamentos: o enrolamento primário, que recebe a energia do sistema supridor, e o enrolamento secundário, que transfere esta energia para o sistema de distribuição, descontando as perdas internas referentes a esta transformação. A figura a seguir mostra um circuito magnético fechado representando um transformador na sua forma mais simples. No seu estudo de funcionamento, os transformadores devem ser analisados nas três situações particularmente mais importantes que assumem durante a sua operação:

Operação em vazio; Operação em carga; Operação em curto-circuito.

Em um sistema elétrico, os transformadores são utilizados desde as usinas de produção, onde a tensão gerada é elevada a níveis adequados para permitir a transmissão econômica de potência, até os grandes pontos de consumo, onde a tensão é reduzida ao nível de subtransmissão e de distribuição, alimentando as redes urbanas e rurais, onde novamente é reduzida para, enfim, ser utilizada com segurança pelos usuários do sistema.

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Circuito Magnético Elementar de um Transformador

2.1.4.1.1 – Tipos de Transformadores Quanto ao isolamento os transformadores podem ser classificados em:

Secos; Hexafluoreto de enxofre (SF6); Óleo isolante mineral + papel Kraft.

Os transformadores secos, ou em epóxi, são aplicados até a classe de tensão pra 69 kV. Tiveram um crescimento significativo no mercado após a proibição governamental de novas aquisições, portaria 019 do Ministério das Minas e Energia (Janeiro/1981), de equipamentos com óleo sintético, conhecido como Askarel. São equipamentos destinados a áreas abrigadas, não exigem manutenção, a não ser limpeza externa em lugares sujeitos a poeira. O transformador a SF6, até esta data, ainda não é muito familiar ao mercado brasileiro. A parte ativa é isolada com papel Kraft e o tanque principal é pressurizado com hexafluoreto de enxofre. Este tipo de transformador é muito utilizado no Japão, junto às subestações blindadas, evitando-se a necessidade de utilização de buchas de porcelana na entrada e saída do transformador, além de minimizar o espaço proporcionalmente. Os transformadores com óleo isolante mineral são os mais comumente usados pelas empresas de distribuição, transmissão e geração de energia elétrica. As espiras são isoladas com papel Kraft e, este papel impregnado com óleo isolante torna-se melhor isolante que o papel, ou mesmo o óleo, separadamente.

Transformador a SF6

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2.1.4.1.2 – Acessórios Esta é a área de desenvolvimento que tem apresentado mais progresso nos últimos anos. Seja para fins de monitoramento, seja aperfeiçoamento, ou seja, ainda pela substituição da informação analógica pela digita. Convencionalmente, os transformadores tem os seguintes acessórios de proteção:

Relé detector de gás tipo Buchhloz; Termômetro para líquido isolante; Termômetro para enrolamento (imagem térmica); Indicador magnético de nível de óleo; Válvula de segurança / dispositivo de alívio de pressão; Acessórios diversos.

2.1.4.1.2.1 – Relé Detector de Gás Tipo Buchhloz O relé tipo Buchholz é um dispositivo destinado à proteção de transformadores imersos em óleo, do tipo com conservador. Seu funcionamento é baseado na formação de gases livres, quando do aparecimento de falhas, que “caminham” para parte mais alta do transformador, ou seja, o conservador. É eficiente tanto nas faltas que provocam formação lenta de gás acionando um alarme, quanto nas faltas que provocam formação rápida de gás com o fluxo de óleo no sentido do tanque de compensação, comandando o desligamento do equipamento protegido.

Dispositivo Coletor de Gás

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2.1.4.1.2.2 – Termômetro para Líquido Isolante Este termômetro tem por objetivo detectar a temperatura do topo do óleo. Normalmente vem equipado com contatos auxiliares. Na ausência de termômetros de enrolamento podem ser usados para comandar ventiladores e dispositivos de segurança, tais como circuitos de alarme, e se desejado, retirar o transformador de serviço acionando os disjuntores caso a temperatura do óleo se eleve acima dos valores pré-estabelecidos. 2.1.4.1.2.3 – Termômetro para Enrolamento (Imagem Térmica) Este termômetro tem por objetivo medir a temperatura do ponto mais quente de um enrolamento. A temperatura do enrolamento varia mais rapidamente que a temperatura do óleo. A constante de tempo térmica do enrolamento é da ordem de alguns minutos, enquanto que a do óleo é de horas. Como não é possível medir diretamente a temperatura do ponto mais quente do enrolamento, o dispositivo de imagem térmica é o meio mais adequado para realizar esta medição. 2.1.4.1.2.4 – Indicador Magnético de Nível de Óleo O indicador magnético de nível de óleo tem por finalidade indicar o nível de óleo no tanque ou no conservador, fornecendo também meios para sinalizar ou desligar o transformador, caso o nível controlado atinja valores críticos para operação normal do equipamento. Neste indicador, a transmissão dos movimentos de um flutuador instalado na parte interna do recipiente sob controle para o sistema de indicação do nível de óleo situado do lado de fora deste recipiente é feita por acoplamento magnético. 2.1.4.1.2.5 – Válvula de Segurança / Dispositivo de Alívio de Pressão Este dispositivo tem por finalidade proteger o tanque do transformador contra sobrepressões críticas que possam surgir no seu interior. Genericamente, as válvulas de segurança baseiam-se em um dispositivo projetado para suportar pressões até um limite de segurança para o tanque do transformador, a partir do qual se rompe um diafragma, por exemplo, liberando o excesso da pressão. 2.1.4.1.2.6 – Acessórios Diversos Estão incluídos todos aqueles dispositivos que fazem parte do transformador, atuando como auxiliares nas funções principais ou nele estão incluídos para fornecer grandezas que podem ser medidas. Assim, no grupo dos dispositivos auxiliares temos:

Motores de bombas de circulação forçada de óleo, de ventiladores, dos comutadores de derivações;

Fiação, sistemas de comando, blocos terminais e contatores; TC de bucha utilizado para alimentação dos circuitos de proteção e medição; Dispositivos purificador e desidratador de ar (sílica-gel).

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2.1.4.1.3 – Sistema de Isolação 2.1.4.1.3.1 – Óleo Isolante Mineral São dois os tipos existentes, utilizados para fins de isolamento:

Parafínico (tipo B): são aqueles que apresentam predominância de carbonos saturados, em cadeias abertas, podendo ser essas cadeias ramificadas ou lineares.

Naftênico (tipo A): apresentam predominância de carbonos saturados de cadeia fechada, chamados de ciclos alcanos.

2.1.4.1.3.2 – Esquema de Deterioração do Óleo Isolante

Deterioração do Óleo Isolante

2.1.4.1.3.3 – Ensaios Físico-Químicos a) Cor Este ensaio isoladamente não significa comprometimento com a operação do transformador. A cor do óleo tem muito a ver com o processo de refino e deve sempre ser associado com outros ensaios físico-químicos que são mais sensíveis à deterioração/contaminação do óleo isolante. b) Teor de Água Neste ensaio, detecta-se a quantidade de água que se apresenta solúvel no óleo isolante. A água é um agente agressor, tanto para o papel isolante (acelera seu envelhecimento) quanto para o óleo (acelera a oxidação).

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c) Rigidez dielétrica Neste ensaio, detecta-se a presença de contaminantes, partículas em suspensão (celulose, partículas condutoras, etc.) e umidade, que poderão comprometer as características dielétricas do equipamento. Submete-se o óleo isolante à uma tensão elétrica e verifica-se o rompimento do dielétrico. d) Tensão Interfacial Neste ensaio, detecta-se a presença de contaminantes polares e produtos de oxidação como ácidos, álcoois e etc.. A tensão interfacial é a tensão capaz de quebrar a resistência na interface óleo-água devido à interação molecular. O processo de refino inclui no seu valor inicial e valores baixos causam o aparecimento de borras no transformador. e) Acidez (Índice de Neutralização) A deterioração do óleo isolante em operação ocasiona a formação de peróxidos que formaram álcoois, aldeídos e ácidos orgânicos e atacarão metais e celulose. A determinação da acidez é feita pela neutralização do ácido com uma base (hidróxido de potássio – KOH). A acidez provoca o aparecimento de borras no transformador. f) Tangente Delta/Perdas Dielétricas/Fator de Dissipação O óleo isolante, quando submetido à uma tensão elétrica, apresenta perdas superficiais. Essas perdas, que causam aquecimento no óleo, podem ser quantificadas pela tangente do complemento do ângulo do fator de potência e são influenciadas, principalmente, pela temperatura. Valores acima do estabelecido como limite, provocam aparecimento de borras e prejudicam o isolamento e a refrigeração. 2.1.4.1.3.4 – Tipos de Tratamento do Óleo Isolante São dois os tipos de tratamento para recuperação das características físico-químicas do óleo isolante: a) Recondicionamento Objetiva recuperar a rigidez dielétrica e o teor de água dissolvida no óleo do transformador. Em geral, nos transformadores de potência, este processo é feito no campo, ou seja, na própria instalação. Em geral, utiliza-se filtragem à frio, à quente, centrifugação ou termo-vácuo. b) Regeneração Objetiva recuperar a tensão interfacial, neutralizar a acidez e diminuir as perdas dielétricas, e como conseqüência, diminuir a cor. Para grandes quantidades de óleo, torna-se mais econômico o tratamento em plantas regeneradoras, porém, pode também ser feita na própria instalação. Atualmente é possível adquirir no mercado, máquinas purificadoras com o propósito de recondicionar e/ou regenerar o óleo isolante. Normalmente, na regeneração, submetemos

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o óleo ao contato com bauxita e posteriormente o submetemos à filtragem e posterior aditivação com DBPC. Como a bauxita tem um tempo finito de utilização, torna-se inevitável seu descarte e ela é agressiva ao meio ambiente. 2.1.4.1.3.5 – Sistemas de Preservação do Óleo Isolante 2.1.4.1.3.5.1 – Sílica-Gel A preocupação das empresas, de forma geral, tem sido a de diminuir essa percentagem elevada de transformadores à sílica-gel, na tentativa de minimizar a quantidade de tratamento de óleo isolante por excesso de água que compromete a rigidez dielétrica e garante um tempo de vida útil maior dos seus transformadores. Para melhor informação sobre o estado da sílica-gel, antigamente era adicionada uma coloração azul (cobalto) que em contato com a umidade tornava-se rosa, e era dessa forma que se atestava sua saturação. Atualmente, visando a preservação da saúde e do meio ambiente, a sílica-gel tem coloração âmbar e quando saturada tem coloração branca. Na entrada do ar pelo recipiente contendo sílica-gel acopla-se um filtro de partículas que pode ser tela de arame ou recipiente com óleo.

Dispositivo de Absorção de Umidade

2.1.4.1.3.5.2 – Bolsa de Borracha/Membrana Os transformadores com bolsa de borracha no conservador, bem como, os de membrana, tendem a crescer quantativamente no mercado de transformadores novos. Basicamente, tenta-se isolar o meio ambiente do óleo isolante, inserindo-se no conservador uma “bolsa” de borracha que de um lado terá contato com o óleo do transformador, e de outro lado (interior), contato com o ar seco através da sílica-gel. No que tange à quantidade de água, essa tecnologia tem êxito já consagrado. Os transformadores que utilizam tanto a membrana quanto a bolsa conseguem se manter com níveis de teor de água no óleo compatíveis com aqueles registrados na última secagem por períodos de 10 (dez) anos ou mais. No entanto, do ponto de vista de quantidade de oxigênio, essa técnica não é suficiente, e, portanto, o envelhecimento por oxidação não é evitado.

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Sistema de Preservação com Bolsa/Membrana de Borracha