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Projecto da Cadeira de Centrais & Subestações

OBJECTIVO

O presente projecto dimensiona uma suposta subestação tipo AT/MT, neste caso, subestação tipo 60/15 kV, levando em conta as suas características técnicas bem como os seus diversos equipamentos e materiais constituintes e as regras que deverão ser cumpridas na construção da mesma.

Os principais objectivos que se pretendem atingir com o dimensionamento da subestação, são os seguintes:

Determinar a potência do transformador da subestação; Definição de uma solução modular e flexível que permita adaptar-se as

necessidades específicas da rede e acompanhar a sua evolução; Configurar a subestação; Dimensionar e escolher os Barramentos; Configuração do quadro de Média tensão da Subestação;

A subestação devera ser, dimensionada para 60/15kV e para uma potência de transformação máxima de 2 x 40 MVA. Considera-se um número máximo previsto de painéis de linha de AT e MT.

ELABORADO POR: Schields Abel Gaspar Pedro ESTUDANTE DO: 5º Ano / CURSO DE: Electrotecnia “Sistema de Potencia”Nº DE PROCESO: 49612 / ANO LECTIVO: 2011

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INTRODUÇÃO

O desenvolvimento de um país vem acompanhado do aumento no consumo de energia eléctrica. Este aumento de carga tem grande repercussão no sistema eléctrico, pois é responsável pelas elevadas correntes nominais e de curto-circuito presente no sistema. Outra consequência deste aumento de carga é o aumento da malha do sistema eléctrico, onde novas centrais, linhas de transmissão e Subestações Eléctricas são necessárias para atender esta nova demanda no consumo.

Com este intuito o presente projecto irá centrar-se no dimensionamento de uma Subestação Eléctrica tipo AT/MT, 60/15 kV.

Todas as infra-estruturas eléctricas incluídas no âmbito do planeamento da subestação serão concebidas, dimensionadas e executadas em harmonia e conformidade com as peças do respectivo projecto, com as normas habituais de execução e em conformidade com os preceitos legais e regulamentares.

Foi imprescindível fazer um estudo das necessidades dos possíveis consumidores. Esse estudo permitiu prever a capacidade de consumo conjecturável para toda a urbanização para assim ser estruturada a rede de alimentação, que a entidade operadora da distribuição de energia teria de elaborar para um abastecimento adequado.

A concepção geral do projecto rege-se pelos princípios básicos de segurança geral das pessoas e bens; simplificação e padronização da construção; facilidade de condução e manutenção.

Uma subestação deve funcionar com regularidade. Acima de tudo deve ser económica (custos finais e iniciais reduzidos), segura e o mais simples possível. Deve prever uma ampliação e permitir funcionamento flexível, assim como disposição adequada das linhas. Além disso, deve dispor de meios necessários para que seja feita a manutenção das linhas, disjuntores e seccionadores sem interrupção de serviço.

A implementação de uma subestação permite uma melhoria na produção devido ao aumento da potência fornecida ao consumidor e na diminuição de custos para a empresa devido à diminuição do custo da energia. Apesar do grande investimento inicial, a diminuição do custo da energia origina um retorno do investimento a curto prazo. Além disso, e cada vez mais importante hoje em dia, há um aumento de fiabilidade, sendo menos provável ocorrer uma quebra no fornecimento de energia eléctrica o que implica óbvios problemas para a empresa a nível de produção. Este aumento de fiabilidade devesse ao facto de uma rede de AT ser menos complexa que uma rede inferior havendo menos espaço para falhas.

Para a elaboração deste projecto levou-se também em consideração a regulamentação e aspectos normativo em vigor

CAPÍTULO I


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MEMÓRIA DESCRITIVA E JUSTIFICATIVA

1.1. GENERALIDADE

Na projecção de uma subestação eléctrica existem algumas decisões que devem ser estudadas detalhada com o fim de estabelecer uma relação qualidade, custo satisfatório.

Algumas das possíveis soluções a adoptar são; tipo de subestação, transformação, escolha dos interruptores automáticos, seccionadores e demais comutadores necessários na subestação.

1.1.1. Descrição da subestação

Pela forma de montagem e dependendo do custo e segurança dos equipamentos e dispositivos eléctricos que constituem, as subestações podem ser:

Subestação interiores – se todos os elementos que a constituem estão instalados no interior de edifícios apropriados.

Subestação de exteriores ou ao ar livre – se os elementos que os constituem estão instalados ao ar livre.

A concepção geral de um projecto tipo de subestações AT/MT deve ser regido pela satisfação dos seguintes princípios básicos:

Segurança geral das pessoas e bens. Simplificação e padronização da construção. Facilidade de condução e manutenção.

A elaboração deste projecto de subestações AT/MT teve em consideração a regulamentação de segurança em vigor, nomeadamente:

“Regulamento de Segurança de Subestações e de Postos de Transformação e de Seccionamento”

A subestação aqui apresentada AT/MT (60/15 kV) será uma instalação mista, com aparelhagem de montagem exterior a instalar no Parque Exterior de Aparelhagem e de montagem interior, a instalar no Edifício de Comando.

1.1.2. Subestação exterior


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O Parque Exterior de Aparelhagem é constituído por:

Linhas aéreas com tensão de 60 kV e respectivos barramentos Transformador de Potência (2×40 MVA – 60/15kV); Transformador de Tensão; Transformadores de Intensidade; Bateria de Condensadores; Aparelhagem de protecção; Edifício de Comando; Descarregadores de Tensão.

1.1.3. Subestação interior

O Edifício de Comando irá ser o local onde estará instalado o equipamento para MT (quadro metálico blindado), assim como os sistemas de comando, controlo e alimentação, estes últimos integrados em armários próprios para o efeito em espaço próprio. Será ainda dotado de um vestíbulo de entrada, instalações sanitárias, armazém/arquivo, repartidor de saídas e sala de comando.

Edifício de comando em alvenaria (concebido segundo um tipo de arquitectura que se enquadre, na medida do possível, na paisagem envolvente), previsto para acomodar um no Edifício de Comando ficará instalado o equipamento principal de MT ‐ quadro metálico blindado ‐ e os sistemas de alimentação e de comando e controlo, estes últimos integrados em armários próprios para o efeito, serão ainda adoptadas medidas construtivas que permitam assegurar um elevado isolamento térmico.

1.2. APARELHAGEM

Em relação aos equipamentos, serão definidas:

As condições de segurança adoptadas na concepção. Dimensionamento, composição e a configuração dos diversos painéis. Características técnicas da aparelhagem. Condições gerais que deverão ser cumpridas na montagem dos diversos

componentes que constituem a subestação.

De acordo com os objectivos definidos para este tipo de projectos, este será caracterizado por considerar:


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Soluções normalizadas para os vários níveis de tensão AT e MT. Disjuntores AT e MT e seccionadores AT motorizados. Reactâncias de neutro e transformadores de serviços auxiliares ligados ao

barramento de MT. Disposição de aparelhagem no parque exterior, com a possibilidade de intervenção

de manutenção com a instalação em serviço. Barramento AT seccionado por painel interbarras. Barramento MT seccionado por um disjuntor extraível. Referenciação de aparelhagem AT e MT, equipamento de BT e cabos MT e BT

Normalizada por tipo de painel. Disposição e instalação do equipamento de protecção, comando e controlo em

armários específicos e em compartimentos de BT do quadro de MT.

1.2.1. Condições de Segurança Contra Contactos Directos com Pecas em Tensão

Com vista a garantia de um elevado grau de segurança das pessoas que desempenham actividades no Parque Exterior de Aparelhagem, a técnica adoptada sob as mais distintas circunstâncias de exploração será a de “segurança por afastamento”, que constara na colocação dos condutores nus em tensão a distancias que impeçam contactos acidentais directos.

A condicionar estas distancias de afastamento, esta o facto de os isoladores serem componentes sujeitos a tensão degressiva, estando apenas a sua base ao potencial da terra, pelo que devera ser impedida a possibilidade de curto-circuitar com as mãos parte de uma coluna isolante. Assim, esta definida como altura mínima do solo a base metálica do equipamento AT e MT a instalar, 2,5 m.

Respectivamente ao equipamento de MT instalado no edifício, a técnica de segurança adoptada será “segurança por obstáculo”, que consiste na colocação de todas as partes em tensão no interior de diversos compartimentos completamente fechados do quadro metálico blindado. Este tipo de equipamento será dotado de um sistema de encravamentos que impedira a realização de qualquer falsa manobra ou contacto acidental com peças em tensão.

Os seus compartimentos serão dimensionados para resistirem a um arco no seu interior, sem permitirem a propagação dos seus efeitos aos compartimentos vizinhos, nem provocar lesões em pessoas que se encontrem nas suas imediações.

1.2.2. Protecções Contra Sobretensões

A subestação será protegida contra descargas atmosféricas directas, por meio de um conjunto de condutores de terra, cabos de guarda, repartidos sobre a área total do Parque Exterior de Aparelhagem, dando continuidade aos cabos de guarda das linhas aéreas, montados longitudinal e transversalmente nos topos das colunas dos pórticos da subestação e da estrutura de suporte de equipamento MT do painel do transformador 60kV/15kV.


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Quanto as sobretensões de origem interna ou atmosférica que penetram na subestação, a protecção serão realizadas através da montagem de hastes de descarga nas cadeias de amarração das linhas AT, descarregadores de sobretensão nas fases das linhas.

Os transformadores de potência 60kV/15kV serão objecto de protecção especial através da montagem de descarregadores de sobretensão (DST’s), cuja função será limitar as sobretensões incidentes a valores compatíveis com os níveis de isolamento da aparelhagem a proteger.

O sistema de alimentação de baixa tensão será protegido por um sistema de protecção contra sobretensões.

1.3. APARELHAGEM AT

A constituição dos diversos painéis AT relativamente a aparelhagem, é a seguinte:

Transformador de Medida de Tensão. Transformador de Medida de Corrente. Transformador de Potencia 60/15 kV. Isoladores de suporte AT. Seccionador de Linha + Seccionador de Terra (com facas de terra). Seccionador de Barramento. Disjuntor. Descarregador de sobretensão (fase-terra). Descarregador de sobretensão (neutro-fase).

A aparelhagem de corte e seccionamento de AT será do tipo fixo, suportada por estruturas metálicas, e munida de comandos motorizados, incluindo os seccionadores de terra.

1.3.1. Seccionador

O seccionador escolhido foi o SHDT 72,5 fabricado pela EFACEC. Este seccionador é de duas colunas rotativas, com corte central, de pólos separados, para exterior. Podendo ser actuado através de ser comando manual local ou comando eléctrico à distância.

Tensão nominal máxima: 72,5 kV Intensidade de corrente nominal: 1250A Tensão de Ensaio de impulso:

Entre pólos e à terra: 325KV (pico) Sobre a distância de seccionamento: 375KV (pico)

Tensão de Ensaio à frequência Industrial: Entre fases e à terra: 140KV (eficaz) Sobre a distância de seccionamento: 160KV (eficaz)

Intensidade máxima admissível: De curta duração: 50 kA (valor eficaz) De Pico: 80A (valor de pico)

1.3.2. Transformadores de Tensão


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O transformador de tensão escolhido é o UTB 72, fabricado pela ARTECHE. O transformador de tensão escolhido tem isolamento do tipo papel‐óleo, sendo hermeticamente fechado e funcionando com nível de óleo constante. Este transformador possui um indicador do nível do óleo e uma válvula de forma a ser possível o controlo do nível e da qualidade do óleo. São bastante utilizados devido ao seu tamanho, fácil manuseamento, sendo quase nula a sua manutenção ao longo do seu tempo de vida útil.

Tensão nominal máxima: 72,5 kV Intensidade de corrente nominal: 2000A Tensão de Ensaio de ao choque Atmosférico: 325 kV (pico) Três enrolamentos secundários; Relação de transformação:

As classes de precisão:

5VA – cl 0,210VA – cl 0,520VA – cl 3P

1.3.3. Transformador de Intensidade

O transformador de intensidade escolhido é o CXG 72, fabricado pela ARTECHE. Este transformador de intensidade escolhido é isolado com resina epoxy sendo revestido a porcelana. Com esta solução, obtêm‐se as mesmas características de um transformador a óleo, reduzindo o custo.

Tensão nominal máxima: 72,5 kV Intensidade de corrente nominal: 2000A Tensão de Ensaio de ao choque Atmosférico: 325 kV (pico) Relação de transformação:

100/1‐1‐1A

As classes de precisão:

5VA – cl 0,210VA – cl 0,5

20VA – cl 5P20

1.3.4. Disjuntores SF6


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O disjuntor escolhido é o disjuntor GL309 F1‐3120, fabricado pela EFACEC. Este tipo de disjuntores possui câmara de corte a gás, neste caso o SF6. Estes são compostos pelos pólos, base dos pólos, comando e estruturas de suporte. Cada pólo é suportado por uma coluna de suporte que faz o isolamento à terra e um isolador onde está situada a câmara de corte do disjuntor. Os pólos e as tubagens de SF6 estão num compartimento único.

Tensão nominal máxima: 72,5 kV Intensidade de corrente nominal: 2000A Tensão de Ensaio de impulso:

Entre pólos e à terra: 325KV (pico) Sobre a distância de seccionamento: 375KV (pico)

Tensão de Ensaio à frequência Industrial: 140KV Poder de corte em curto-circuito: 31,5 kA Poder de fecho em curto-circuito: 80 kA p Sequência de manobra nominal: A-0,3seg – FA‐3 min – FA ou FA – 15s – FA Duração nominal do curto-circuito: 3s

1.3.5. Transformador de Potencia

O transformador de potência, de fabrico EFACEC trifásico e com os enrolamentos separados em banho de óleo, possui as seguintes características:

Tensão Nominal AT: 60 kV Tensão Nominal MT: 15 kV Regulação de tensão: ±11×1,5% Ligação do lado de AT: Estrela Ligação do lado de BT: Triangulo Método de arrefecimento: ONAN/ONAF Potência nominal: 40 MVA Tensão de curto-circuito: 15 %

1.3.6. Descarregador de Sobretensões

O pára-raios escolhido é o 2HSRC(P)75L1E1MO(5) fabricado pela TYCO. Este equipamento apresenta como principais características a homogeneidade apresentada pela resina e fibra de vidro em torno da superfície de óxido de zinco, uma boa condutividade mesmo quando sujeito a elevadas descargas e um peso reduzido em relação à porcelana.

Tensão Nominal: 75 kV Tensão Máxima de Operação: 60kV Corrente de Descarga: 10kA

Para o transformador de potência o pára-raios escolhido é o 2HSRB(P)60L1E1MO(5) que apresenta as mesmas características gerais do anterior diferindo apenas nos valores de alguns parâmetros.


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Tensão Nominal: 60 kV Tensão Máxima de Operação: 48kV Corrente de Descarga: 10kA

1.4. APARELHAGEM MT

No que respeita a constituição dos painéis MT e a correspondente aparelhagem de MT:

Transformador de Medida de Tensão. Transformador de Medida de Corrente. Transformador de Serviços Auxiliares MT/BT. Isoladores de suporte MT. Reactância de Neutro. Escalão Bateria de Condensadores. Quadro metálico de MT. Seccionador de Terra. Disjuntor. Descarregador de sobretensão (fase-terra). Descarregador de sobretensão (neutro-terra), no caso do transformador de potência

AT/MT possuir neutro acessível.

O quadro metálico blindado de MT, de montagem interior, será isolado a ar, possuindo disjuntores de extracção manual, de corte em SF6 ou no vácuo, e seccionadores de terra de comando manual, com poder de fecho para a corrente estipulada de curto-circuito.

As reactâncias de neutro e os transformadores de serviços auxiliares serão instalados no Parque Exterior de Aparelhagem, e ligados aos barramentos de MT do quadro metálico por intermédio de uma cela comum. A interligação entre a cela e o transformador de serviços auxiliares e a reactância de neutro, será assegurada por circuitos distintos em cabos isolados de MT para cada um deles. Esta aparelhagem será instalada ao nível do solo.

Os escalões de baterias de condensadores a instalar no Parque Exterior de Aparelhagem, serão do tipo “invólucro metálico”, equipados com disjuntor próprio e serão ligados a respectiva cela do quadro metálico de MT por intermédio de cabos isolados.

1.5. APARELHAGEM BT

No que respeita a aparelhagem BT, temos:

1.5.1. Quadro de Distribuição Modular


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NORMAFIX. Composto por IS (interruptor seccionador), 2 DC (protecção geral dos cabos), CIS (protecção do transformador com disparo por fusão dos fusíveis) e TT (transformador de tensão).

IS

TI: 400/1-1 A: 1- 10 VA: cl 0,5; 2- 20 VA: cl 5P20; 25 kA – 3s.Seccionador: corrente nominal 630 A, corrente de curta duração admissível 16 kA (3 s).

DC

Interruptor1: corrente nominal 400 A, corrente de curta duração admissível 16 kA (3 s) e poder de fecho 40 kA.

Disjuntor: corrente nominal 400 A, poder de corte 16 kA e poder de fecho 40 kA.TI: 400/1-1 A: 1- 10 VA: cl 0,5; 2- 20 VA: cl 5P20; 25 kA – 3s.

Interruptor2: corrente nominal 630 A, corrente de curta duração admissível 16 kA (3 s) e poder de fecho 40 kA.

CIS

Seccionador: corrente nominal 400 A, corrente de curta duração admissível 16 kA (3s).

Fusível: gL/gG, 2 A.Interruptor: corrente nominal 630 A, corrente de curta duração admissível 16 kA (3 s)

e poder de fecho 40 kA.

TT

Interruptor: corrente nominal 630 A, corrente de curta duração admissível 16 kA (3 s) e poder de fecho 40 kA.

Fusível: gL/gG, 2 A.Transformador de tensão:

,

cl 0,5;

10 VA, ;

cl 3P; 20 VA.

1.5.2. Transformador Serviços Auxiliares

Os serviços auxiliares de corrente alternada, serão abastecidos a partir de um transformador de potência, 25 kVA, 15/0,4 kV, que possui as seguintes características:


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Potência nominal: 25kVA Tensão nominal primária: 15kV Tensão nominal secundária: 400 V Corrente nominal (BT): 343 A Tensão curto-circuito: 4% Regulação: ±2×2,5% Grupo de ligação: Dyn5

1.6. FONTES DE ALIMENTAÇÃO DOS SERVIÇOS AUXILIARES

1.6.1. Serviços Auxiliares de Corrente Alternada

Estes serviços estão previstos para 400 – 230 V, 50 Hz, sendo a sua alimentação assegurada por duas fontes distintas, que corresponderão aos dois Transformadores de serviços Auxiliares MT/BT ligados a cada barramento de MT da instalação.

Para garantir a alimentação dos serviços auxiliares, em caso de falha, haverá um sistema automático que garanta a comutação para outra fonte, quando disponível.

A protecção de pessoas contra contactos indirectos na rede destes serviços, será garantida pela adopção do sistema TT, sendo normas de concepção:

Disparo ao primeiro defeito. Neutro de baixa tensão do Transformador dos Serviços Auxiliares ligado a rede

geral de Terras. Massas da instalação ligadas a rede geral de terras. Utilização de disjuntores diferenciais de media sensibilidade, montados de forma

selectiva, assegurando o corte dos circuitos em caso de defeito a terra. Existência de terra geral com resistência inferior a 1 Ω.

1.6.2. Serviços Auxiliares de Corrente Continua

Estes serviços estão previstos para 110 V, sendo a sua alimentação realizada a partir de um conjunto bateria-carregador que integra a função de televigilancia.

Estes serviços serão equipados com um dispositivo de controlo permanente do isolamento dos circuitos, para a detecção e sinalização da ocorrência de defeitos a terra. Em caso de defeito, o disparo automático não será provocado devido a imperativos de exploração.

1.7. BARRAMENTOS, DERIVAÇÕES E LIGAÇÕES

Os condutores que constituem o esquema eléctrico da subestação serão dimensionados para o trânsito das correntes estipuladas em serviço contínuo, para os aquecimentos máximos


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admissíveis, e para resistirem aos efeitos electrodinâmicos das correntes de curto-circuito susceptíveis de os percorrerem.

1.7.1. Barramento 60 kV

O barramento de AT em tubo de cobre nú será E‐Cu F 30, 63×53 mm com secção de 911 mm2.

Todas estas ligações apresentam um afastamento entre fases de 1,5m com a excepção das ligações aos disjuntores de AT e aos transformadores de potência AT/MT, que dependem da distância entre pólos do respectivo equipamento.

O barramento de MT em tubo de cobre será E‐Cu F 30, 50×40 mm com secção de 707mm2.

O tipo de montagem adoptado para as ligações aos transformadores de potência permitirá a sua substituição de uma forma expedita, uma vez que, apenas será necessário desligar os condutores em cabo de alumínio ligados aos terminais AT e MT do referido transformador e as ligações de BT que serão asseguradas por intermédio de fichas extraíveis.

Os cálculos que determinaram estas escolhas encontram‐se disponíveis na memória de cálculo.

1.7.2. Ligadores

Numa subestação, as ligações entre condutores nús (entre si ou entre estes e a aparelhagem) são realizados por ligadores concebidos de forma a serem de montagem simples e com características eléctricas e mecânicas adequadas.

Os ligadores devem:

Assegurar uma repartição suficiente da corrente nos condutores a ligar; Não aumentar a resistência eléctrica dos elementos do circuito onde estiverem

inseridos; Não originar aquecimentos suplementares em qualquer ponto do circuito durante a

passagem de corrente; Não dar origem a uma queda de tensão superior a aquela observada num

comprimento equivalente de condutor da mesma capacidade Ser insensíveis aos balanços e às vibrações dos condutores, assim como às

variações de tensão mecânica e de temperatura; Ser resistentes à corrosão e aquecimento; Possuir dispositivos que se oponham eficazmente ao desaperto em serviço.

Os ligadores podem ser fixos, elásticos ou deslizantes, de acordo com as ligações a realizar.

1.7.3. Cabos Isolados de MT

Os cabos isolados de MT que realizam a ligação dos secundários dos transformadores de potência 60/15 kV, dos transformadores dos serviços auxiliares MT/BT, das reactâncias de


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neutro e dos escalões de baterias de condensadores as respectivas celas do quadro metálico de MT, serão cabos unipolares, possuindo uma alma condutora em alumínio, isolamento constituído por uma camada extrudida de PEX (polietileno reticulado) e blindagem em fios de cobre envolvidos por fita de cobre.

Todos os cabos isolados de MT referidos, deverão ter a sua armadura ligada a terra nas duas extremidades.

Os cabos isolados de MT relativos aos circuitos de ligação dos secundários dos transformadores 60/15 kV, dos transformadores dos serviços auxiliares MT/BT, das reactâncias de neutro e dos escalões de baterias de condensadores as respectivas celas do quadro metálico de MT, serão instalados em todo seu trajecto, em tubos ou caleiras reservados para o efeito.

Os cabos isolados de MT referentes aos circuitos das linhas, serão instalados em tubos ou caleiras ate a zona das saídas aéreas, onde passarão a ser instalados em valas ate os apoios de transição cabo subterrâneo/linha aérea.

1.8. SISTEMAS DE PROTECÇÃO

1.8.1. Rede Geral de Terras

A rede geral de terras será concebida de forma a constituir uma rede equipotencial, reduzindo os riscos de tensões de passo e de contacto e limitando-as a valores não perigosos, em caso de defeito a terra.

A rede geral de terras será um conjunto interligado formado por:

Terra de protecção, destinada a contribuir para a segurança das pessoas nas proximidades de um objecto metálico da instalação susceptível de colocação acidental sob tensão em caso de defeito de isolamento.

Terra de serviço, destinada a influenciar o comportamento da rede em caso de defeito a terra.

Cabos de guarda, para protecção da instalação contra descargas atmosféricas directas.

A rede geral de terras será uma terra única, constituída por um circuito de instalação subterrânea e por um circuito de instalação a superfície, ligado entre si.

O dimensionamento da rede geral de terras para a subestação (secção do cabo e dimensão da quadricula) dependera de vários factores, condicionados pela localização da subestação, tais como:


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Resistividade do solo. Distancia a subestação de alimentação da rede AT e respectiva corrente de curto-

circuito máxima trifásica e fase-terra. Características da interligação a subestação de alimentação da rede AT.

A rede geral de terras apresentada foi dimensionada considerando a resistividade media do solo igual ou inferior a 100 Ω e uma corrente de curto-circuito máxima trifásica efase-terra igual ou inferior a 25 kA com uma duração máxima de 1,5 s na subestação de alimentação da rede AT.

1.8.2. Sistemas de Protecção, Comando e Controlo Numérico (SPCC)

O SPCC é o responsável pela protecção, comando e controlo de todos os órgãos da instalação, sendo constituído por diversos módulos de processamento de informação que, devidamente interligados, lhes permitem desempenhar as funções inerentes a subestação, nomeadamente:

Modo de funcionamento e encravamentos. Protecções. Automatismos. Gestão da Informação. Manutenção e teleparametrização. Interface humano-maquina.

Em termos, para garantir a segurança de pessoas e bens, devem ser respeitados os seguintes princípios:

O comando voluntaria dos órgãos de manobra (disjuntores e seccionadores) não devera ser possível de efectuar em simultâneo a partir de locais distintos.

A acção de comando sobre os órgãos de manobra (disjuntores) proveniente das funções de protecção não esta sujeita a qualquer hierarquia estabelecida para o comando voluntario.

A acção de comando proveniente das funções de automatismo sobre os órgãos de manobra (disjuntores) devera obedecer a uma sequência de operações predefinida e ter em consideração o modo de comando seleccionado para a acção voluntaria.

1.9. FUNÇÕES DE PROTECÇÃO

Cada uma das unidades de painel integrantes do SPCC devera albergar um conjunto de funções de protecção, que assegurarão a vigilância do funcionamento da rede detectando


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defeitos e, por interacção ou não com as funções de automatismo, procurando elimina-los o mais rapidamente possível, no sentido de garantir simultaneamente uma exploração segura e uma elevada continuidade e qualidade de serviço.

Para atingir estes objectivos, as funções de protecção devem reger-se pelos seguintes princípios:

Selectividade de actuação minimizando a área afectada. Redundância na actuação permitindo colmatar o deficiente funcionamento de

qualquer componente do sistema de protecções. Coexistência com os restantes funcionalismos do SPCC.

Para situações específicas em que há necessidade de garantir tempos de actuação iguais ou inferiores a 100 ms, e a transmissão de informação entre as diferentes unidades de painel e o SPCC não garante este requisito, então, esta troca de informação devera ser assegurada por uma interligação por fio condutor eléctrico.

CAPÍTULO II MEMÓRIA DE CÁLCULO


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2.1. CÁLCULO DA POTÊNCIA PARA A SUBESTAÇÃO A PARTIR DOS DADOS DE LOTEAMENTO

2.1.1. Características dos Consumidores:

De acordo com os dados fornecidos (carta anexa ao projecto) existem na zona (quarteirão que será electrificado) duas categorias de consumidores (segunda e terceira categoria) com os tipos de habitações T5, T4 e T3 para consumidores de segunda categoria e T2 e T1 para consumidores de terceira categoria, que perfazem um total de 97 habitações.

Sendo assim decidiu-se dividir o quarteirão em 3 lotes (lote A com 15 habitações, lote B com 45 habitações e lote C com 37 habitações) cada um comportará os diferentes tipos de carga.

Como as habitações tem consumos desfasados durante o dia, logo teríamos um factor multiplicativo inferior com uma potência superior por isso utilizou-se um factor de utilização de 0,8 conforme mostra a tabela abaixo.

Categoria TipoPotência

Atribuída (kVA)Factor de

Utilização kuPotência Corrigida

pelo ku (kVA)

Segunda5 200,00

0,8

160,004 41,40 33,123 34,50 27,60

Terceira2 20,70 16,561 10,35 8,28

Tabela 2.1 – Carga atribuída e corrigida pelo factor de potência.

Para este cálculo foi necessário compreender como se distribuem geograficamente as cargas. Um factor muito importante na distribuição dos PTs é a queda de tensão. E uma vez que a queda de tensão depende directamente da distância ao PT e do quadrado da intensidade de corrente, as cargas não podem estar muito afastadas assim como as cargas de maior consumo de corrente tem de estar o mais próximo possível dos mesmos.

Uma da característica importante no dimensionamento é o factor de simultaneidade, para as diferentes cargas que não deverão ser inferiores aos indicados na tabela abaixo.

Número de CircuitosFactor de

Simultaneidade (ks)


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2 à 3 0,704 à 5 0,806 à 7 0,70

10 e mais 0,60

Tabela 2.2 – Coeficiente de simultaneidade.

Este factor é diferenciado pelo tipo de cargas a alimentar, então decidiu-se por um factor de simultaneidade de 0,7 para todos os consumidores, como se mostra na tabela abaixo.

Lote Categoria TipoNº de

Habitações

Pot. Cor pelo ku (kVA)

PotênciaTotal (kVA)

Factor de Simultaneida

de (ks)

PotênciaContratad

a (kVA)

ASegunda

5 6 160,00 960,00

0,70

672,00

4 1 33,12 33,12 23,20

3 1 27,60 27,60 19,32

Terceira2 4 16,56 66,24 46,37

1 3 8,28 24,84 17,40

TOTAL 15 778,30

BSegunda

5 7 160,00 1120,00

0,70

784,00

4 4 33,12 132,48 115,92

3 7 27,60 193,20 135,24

Terceira2 13 16,56 215,28 150,70

1 14 8,28 115,92 81,14

TOTAL 45 1267,00

CSegunda 5 12 160,00 1920

0,70

1344,00

4 4 33,12 132,48 92,74

3 15 27,60 414 289,80

Terceira2 5 16,56 82,80 58,00

1 1 8,28 8,28 5,80

TOTAL 37 1791,00

Tabela 2.3 – Previsão das cargas de cada lote e correspondente potencia contratada

2.1.2. Dimensionamento dos Transformadores de Distribuição

Como já foi referido o quarteirão está dividido em 3 lotes, e que muitos consumidores encontram-se dispersamente distribuídos, e tendo em conta que cada PT tem um número


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máximo de saída, e que a potência dos mesmos está limitada em 630; 800 e 1000 kVA com uma almofada de 25%, houve a necessidade de se normalizar as potencias, assim sendo temos:

Para o lote A

Teremos 1 PTs de 1000 kVA para alimentar os consumidores da segunda e terceira categoria.

Para o lote B

Teremos 2 PTs, de 800 KVA para alimentar os consumidores da segunda e terceira categoria.

Para o lote C

Neste lote será utilizado 3 PTs, sendo 2 de 630 kVA e 1 de 1000 kVA.

Deste modo será necessário 6 PTs (2×1000, 2×800 e 2×630) para alimentar o quarteirão, como o município apresenta 15 quarteirões idênticos logo serão precisos 90 PTs.

2.1.3. Cálculo da Potência Prevista Para a Subestação:

Nem todos os Postos de Transformação se encontra à plena carga ao mesmo tempo, por isso utilizou-se um factor de utilização de 0,8.

Atendendo a reserva de 25% (58 + 0,24×58 = 73 MVA), vamos optar pela instalação de três transformadores de 25 MVA.

2.1.4. Saídas dos Postos de Transformação.

São indicados os focos abastecidos por cada saída e consecutivos armários de distribuição.

É desaconselhável o uso de muitos armários de distribuição a partir da mesma saída do PT, isso porque levaria nos a usar cabos de grandes secções o que torna o projecto mais caro e


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de difícil manuseamento. Foi por este facto que tentamos usar o mínimo de armário de distribuição possível, uma vez que só foram utilizados armário de distribuição com 6 saídas no máximo (permitirão a fácil inclusão de outras ligações no futuro) que serve para alimentar as habitações e outros armários de distribuição.

Para o lote A

PT 1 Armário de Distribuição A0 – 1

Saída Saída Nº de Habitações Tipo Pot. Corrigida

pelo ku (kVA)Pot.Contratada

(kVA)

1

1 1 1 T5 160,00 112,002 1 1 T5 160,00 112,00

3 3 2 T11 T2 33,12 23,20

4 4 1 T13 T2 57,96 41,00

56

2

Armário de Distribuição A1 – 1

Saída Nº de Habitações Tipo Pot. Corrigida


(kVA)1 1 1 T5 160,00 112,002 1 1 T5 160,00 112,00

3 2 1 T31 T4 60,72 42,50

4 1 1 T5 160,00 112,005 1 1 T5 160,00 112,006

Tabela 2.4 – Detalhe da disposição dos armários da saída do PT1no lote A

Para o lote B

PT 2 Armário de Distribuição B0 – 2



(kVA)


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11 1 1 T5 160,00 112,002 1 1 T4 33,12 23,203 5 5 T3 138,00 96,604 4 4 T4 33,12 23,2056

2

Armário de Distribuição B1 – 2


pelo ku (KVA)Pot.Contratada

(KVA)1 1 1 T5 160,00 112,002 1 1 T5 160,00 112,00

3 3 2 T31 T4 88,32 61,80

4 1 1 T5 160,0 112,0056

PT 3 Armário de Distribuição B0 – 3



(kVA)

11 1 1 T5 160,00 112,002 1 1 T5 160,00 112,003 5 5 T2 82,80 58,004 3 3 T1 24,84 17,4056

2




(kVA)1 1 1 T5 160,00 112,002 5 5 T2 82,80 58,003 3 3 T2 82,80 58,004 1 1 T4 33,12 23,205 12 12 T1 96,36 69,606

Tabela 2.5 – Detalhe da disposição dos armários da saída do PT2 e PT3 no lote B Para o lote C

PT 4 Armário de Distribuição C0 – 4


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(kVA)

11 1 1 T5 160,00 112,002 1 1 T5 160,00 112,003 1 1 T5 160,00 112,004 1 1 T5 160,00 112,005 5 5 T3 138,00 96,606




(kVA)

11 1 1 T5 160,00 112,002 1 1 T4 33,12 23,203 1 1 T5 160,00 112,004 1 1 T5 160,00 112,005 4 4 T3 110,40 77,286

Tabela 2.6 – Detalhe da disposição dos armários da saída do PT4, PT5 e PT6 no lote C

2.2. CÁLCULO DA SECÇÃO DO CABO DE INTERLIGAÇÃO DOS POSTES DE TRANSFORMAÇÃO


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pelo fu (kVA)Pot.Contratada

(kVA)

11 1 1 T5 160,00 112,00

2 2 1 T51 T1 168,28 118,00

3 1 1 T4 33,12 23,204 6 6 T3 165,60 116,005 1 1 T4 33,12 23,206

2

Armário de Distribuição C1 – 6


pelo fu (kVA)Pot.Contratada

(kVA)1 1 1 T5 160,00 112,002 1 1 T5 160,00 112,003 5 5 T2 82,80 58,004 1 1 T5 160,00 112,005 1 1 T4 33,12 23,206


2.2.1. Critério da Secção Económica

Sabemos que;

Onde:

k – Coeficiente que depende da natureza do condutor, para o cobre é 1.8×10-2;h – Regime de funcionamento do circuito, para o projecto é 4500 (hora∕Ano),c – 0.15 usd (km∕hora)Un – 15 KV, rede de média tensão

Sabemos também que;

Em que;

N – Duração de amortização de investimento (8 anos); t = Taxa de amortização ou de juros (10%).

Sendo assim temos;

Calculamos então a corrente:

Assim a secção económica será:

Normalizamos a secção para 120 mm2

2.3. CARACTERÍSTICA DA SUBESTAÇÃO

2.3.1. Esquema Unifilar Simplificado


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Figura 2.1 – Esquema Unifilar Simplificado

2.4. CÁLCULOS ELÉCTRICOS DA SUBESTAÇÃO EM REGIME PERMANENTE

2.4.1. Calculo das Correntes Nominais


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2.4.2. Corrente Nominal dos Transformadores

Em 60 kV

Em 15 kV

2.5. CÁLCULO DA CORRENTES PERMANENTE DE CURTO-CIRCUITO

Sabendo que;

Impedância da linha será:

Impedâncias dos transformadores:

Impedância equivalente do sistema

Diagrama das Impedâncias:


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Figura 2.2 – Esquema de impedância por unidade

2.5.1. Para a linha AT (Barramento de 60 kV)

Atendendo que a fonte geradora está situada distante da subestação sendo, portanto, um caso em que podemos considerar que a corrente permanente de curto-circuito (Icc) será igual a corrente inicial simétrica (I”k) e a corrente de corte (I’k) ou seja; I”k=I’k=Icc e S”k=S’k=Scc=2500 (MVA) respectivamente.

Logo;

Determinamos então o valor da corrente de impulso no barramento de 60 kV que é dado pela fórmula;

Onde;

x → factor de assimetria e optamos por 1,8.

Logo;

2.5.2. Para a linha MT (Barramento de 15 kV)

O valor da reactância já foi determinado até o barramento de 15 kV, sendo assim temos;


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A corrente inicial de curto-circuito será;

Neste caso podemos adoptar:

Determinamos então o valor da corrente de impulso no barramento de 15 kV;

Os valores das correntes de curto-circuito no barramento de 15 kV serão apresentados em resumo na tabela abaixo.

Corrente inicial de Curto-Circuito Valor da Reactância

I´´K = 9,16 kA S´´K = 238,0 MVAI´K = 9,16 kA S´K = 238,0 MVAIcc = 9,16 kA Scc = 238,0 MVA

Valor da Corrente de ImpulsoIch = 23,32 kA

Tabela 2.7 – Valores das correntes de curto-circuito no barramento de 15 kV

2.6. DIMENSIONAMENTO DOS BARRAMENTOS

2.6.1. Barramento de AT (60 kV)

O barramento de 60 kV, disposto em esteira horizontal, deve ter as seguintes características principais:

Execução em tubo de cobre com ¼ de dureza; Barramentos rígidos e apoiados em isoladores de suporte; Afastamento entre fases de 1,5 metros; Constituição do barramento principal realizada a partir de módulos de 5 metros de

comprimento.


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Força electrodinâmica por unidade de comprimento:

Onde;l – distância entre apoios (suporte dos barramentos) consecutivos 5 [m]a – distancia entre fases adjacentes 1,5 [m]

Logo;

Considera-se a força como uniformemente distribuída ao longo dos pontos de apoio.

Momento flector máximo:

Valor mínimo do módulo da resistência à flexão:

A escolha do barramento recai para a barra tubular em cobre de 63×53 mm. Cujo modulo de resistência é dado pela expressão:

Logo;

O momento de inércia é:

Temos então uma barra escolhida que é E-Cu F 30, 63×53 mm, com as seguintes características:


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Secção útil: 911 mm2; Massa por unidade de comprimento: 8,13 kg/m; Corrente permanente: 1760 A

Esforços térmicos devido ao curto-circuito

Calculamos então a corrente térmica média (corrente de curto-circuito médio), que dada pela expressão:

Sabe-se que o tempo de actuação das protecções em alta tensão é de 0,3s e o factor de simetria optou-se por 1,8, então m = 0,2. Como Ich/Icc = 2,5, então n = 0,7 (m e n – valores obtido através das curvas, ver anexo), assim sendo:

Para o cálculo da secção mínima, deve-se saber o valor do factor k, que para

condutores nus em cobre, k = 150, então:

De acordo com o barramento escolhido, a secção está bem acima deste valor da secção

mínima, atendendo as especificações térmicas.

Verificação da condição de ressonância

Frequência de oscilação do barramento:

Onde;


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Ɛ – Módulo de elasticidade do barramento para cobre é 1100000 [kgf/cm2

];

P – Peso linear do barramento 0,0813 kg/cm.

Logo:

O valor da frequência própria de ressonância do tubo não se encontra suficientemente

próxima nem da frequência da rede nem do seu dobro, ou seja encontra-se fora do intervalo

[40, 60] Hz; [80, 120] Hz, não havendo chances desse oscilar entrando em ressonância.

Portanto o barramento escolhido de formato tubular 63×53 mm em cobre é adequado à

instalação.

2.6.2. Barramento de MT (15 kV):

A saída em 15 kV dos transformadores será feita cabos isolados monofásicos.

Na escolha deste cabo devemos considerar:

Classe de tensão: 15 kV Tempo de desligamento: 0,60 s Corrente permanente de curto-circuito: 9,16 kA

Considerando uma distância entre barras de 0,4 m, e a distância máxima entre dois pontos de fixação é de 5 m.

Sabe-se que:

Força electrodinâmica por unidade de comprimento:

Momento flector máximo:

Valor mínimo do módulo da resistência à flexão:


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A escolha para a barra do barramento foi por uma 50×40 mm tubular e em cobre.

O momento de inércia é:

Temos então uma barra escolhida que é E-Cu F 30, 50×40 mm, com as seguintes características:

Secção útil: 707 mm2; Massa por unidade de comprimento: 6,0 kg/m; Corrente permanente: 1410 A

Esforços térmicos devido ao curto-circuito:

Calculamos então a corrente térmica, que dada pela expressão:

Sabe-se que o tempo de actuação das protecções em alta tensão é de 0,3s e o factor de simetria optou-se por 1.8, então como já é sabido, m = 0,2, Ich/Icc = 2,5 e n = 0,7 assim sendo:

De acordo com o barramento escolhido, a secção está bem acima deste valor da secção

mínima, atendendo as especificações térmicas.

Verificação da condição de ressonância

Frequência de oscilação do barramento:


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O valor da frequência própria de ressonância do tubo não se encontra suficientemente

próxima nem da frequência da rede nem do seu dobro, ou seja encontra-se fora do intervalo

[40, 60] Hz; [80, 120] Hz, não havendo chances desse oscilar entrando em ressonância.

Portanto o barramento escolhido de formato tubular 50×40 mm em cobre é adequado à

instalação.

2.7. DIMENSIONAMENTO DOS ISOLADORES

Os isoladores são dimensionados segundo a força electromagnética, dilatação longitudinal ou a força crítica de encurvamento.

2.7.1. Esforços Devidos a Dilatação Longitudinal

Podemos calcular os esforços devidos a dilatação longitudinal que se fazem sentir nos apoios do barramento a partir da Lei de Hook:

Onde; s – Secção da barra de cobre (7,07 cm2)

ɛ – Modulo de Young do cobre (1,1×106 kgf/cm2)α – Coeficiente de dilatação térmica linear do cobre (0,017×10-3 ºC-1)Δθ – Sobre elevação de temperatura devido a ocorrência de curto-circuito

Verifica-se então:

Onde;

θi – Temperatura antes de ocorrer o curto-circuito, 45ºC;t – Tempo de actuação da protecção, 0,3sk – Factor dependente do material da barramento, para o cobre é 0,0061ºCmm4/m2s.

Deste modo:

Força crítica de Encurvamento:


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Como F>Fk as barras se encurvam pelo que a força longitudinal aplicada aos isoladores de extremidade será igual a Fk.

2.8. CLASSE DE ISOLADORES:

O esforço a que os isoladores intermédios estão sujeitos corresponde a:

Assim a força total exercida será:

Olhando para este cenário, optamos por utilizar isoladores do tipo A, uma vez que estes têm uma tensão de ruptura de 375 kgf, sendo pois, inferiores as forcas máximas aplicadas aos isoladores.

2.8.1. TRANSFORMADOR DE CORRENTE

Os transformadores de corrente devem suportar os esforços térmicos provenientes da corrente de curto-circuito.

Assim precisamos o factor térmico dos transformadores de corrente.


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Sabemos que a corrente térmica (corrente de curto-circuito permanente tem o seguinte valor:

Iccm = 22,8 kA

Devemos ter os seguintes factores térmicos:

In = 100 A → Ith = 200×In → Ith = 20 kAIn = 150 A → Ith = 140×In → Ith = 21 kAIn = 200 A → Ith = 100×In → Ith = 20 kA

Esforços Dinâmicos nos Transformadores de Corrente

Os transformadores devem estar aptos a resistir os esforços dinâmicos provenientes das correntes de curto-circuito, os transformadores de corrente são construídos para uma corrente dinâmica dada por:

Idyn = 2,5 Iccm

In Ith Idyn

100 (A) 200× In = 20 kA 50 kA150 (A) 140× In = 21 kA 52,5 kA300 (A) 70× In = 21 kA 52,5 kA

Tabela 2.8 – Corrente dinâmica.

A corrente para efeito dinâmico é de 23,0 kA

2.9. BARRAMENTOS DOS QGBT

O barramento terá de suportar uma densidade de corrente de d = 2 A/mm2. A secção do barramento será obtida pela seguinte expressão:


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Calculemos então a secção para os armários de distribuição dos diferentes lotes;

Para o lote A


Optamos assim por barramentos de dimensões 40x5mm de cobre pintado



Para o lote B









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Para o lote C









2.10. CONFIGURAÇÃO DA SUBESTAÇÃO

A configuração recaio para o Barramento Simples com Disjuntor de Acoplamento Longitudidnal, porque a Subestação Electrica aqui projectada possui dois transformador e o Barramento Simples é o esquema de maior simplicidade e de menor custo, com confiabilidade comptivel com este tipo de suprimento.


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Figura 2.3 – Esquema do barramento simples com disjuntor de acoplamento longetudinal

Como na Subestação há dois transformadores, pode ser seccionada a barra para tornar a operação mais flexível. Se for necessário evitar a interrupção total do suprimento ao ser desligado um transformador, instalando-se um disjuntor para seccionar a barra.

CONLUSÃO

A realização deste projecto em ambiente acadêmico foi bastante enriquecedora, permitindo-me consolidar e aplicar conhecimentos já adquiridos e desenvolver novas competências numa área que para mim tem grande interesse.


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O projecto da Subestação Eléctrica 60/15 kV uma vez implementada poderá contribuir para o crescimento da região.

Os resultados obtidos demonstrou que o correcto dimensionamento da Subestação é de suma importância, pois um super dimensionamento ocasionaria elevação dos custos de implementação e um sobredimensionamento poderia ocasionar inclusive acidentes na subestação.

A escolha dos barramentos rígidos se dá devido a necessidade de novas soluções em questões como segurança à acções do tempo, espaço e facilidade de manutenção, esta solução em tubo permite a redução das alturas da Subestação Eléctrica, diminuindo o impacto visual (impacto ambiental), proporciona uma maior facilidade de acesso ao pátio para manutenção, facilidade para ampliação da Subestação Eléctrica, entre outras vantagens.

Pode-se destacar como aspecto relevante ao desenvolvimento deste projecto o fato de existir pouca literatura em português sobre o tema proposto, sendo preciso consultar literatura estrangeira como normas, trabalhos e livros para conseguir informações sobre o dimensionamento de subestação e seus componentes.

Neste procedimento procurou-se detalhar as principais informações e dados necessários ao projecto de Subestação Eléctrica, com isso foi verificado que os cálculos executados não são de difícil solução. No entanto, por se tratar de um processo académico, estes cálculos tornam-se cansativos devido as diversas variáveis que devem ser levadas em conta

O projecto foi elaborado com intenção de ser implementado em Angola, facto este que fez com que algumas grandezas e aspectos normativos fossem dimensionados tendo em conta as condições mais desfavoráveis da região onde será implantado o projecto.

ANEXO


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novo sp subestações versao1 007

Engineering