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ESCOLA POLITÉCNICA BRASILEIRA Curso Técnico em Eletrotécnica SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA Prof.: Thales Bruno Costa de Azevedo NATAL - RN NOVEMBRO/2021 SUMÁRIO UNIDADE I Noções de Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 1. Sistema Elétrico......................................................................................................................................................5 1.1. Geração de Energia Elétrica..........................................................................................................................7 1.1.1. Usinas Hidrelétricas................................................................................................................................7 1.1.2. Usina Termelétricas..............................................................................................................................12 1.1.3. Usina Nuclear.........................................................................................................................................14 1.1.4. Usinas Eólicas.......................................................................................................................................15 1.2. Transmissão de Energia Elétrica.................................................................................................................17 1.2.1. Componentes de um Sistema de Transmissão...............................................................................19 1.3. Distribuição de Energia Elétrica...................................................................................................................23 1.3.1. Redes Primárias....................................................................................................................................23 1.3.1.1. Redes Primárias Aéreas......................................................................................................................24 1.3.2. Redes Secundárias...............................................................................................................................25 UNIDADE II Distribuição de Energia Elétrica 2. Projeto de uma Rede de Distribuição de Energia.....................................................................................26 2.1. Conceituação..................................................................................................................................................26 2.2. Critérios de Utilização dos Postes...............................................................................................................28 2.3. Critérios de Locação dos Postes.................................................................................................................29 2.4. Simbologia utilizada no Projeto de Distribuição de Energia....................................................................29 2.5. Estruturas Primárias......................................................................................................................................33 2.6. Caminhamento da Rede Primária...............................................................................................................39 2.7. Estruturas Secundárias.................................................................................................................................39 2.7.1. Características das Estruturas Secundárias:....................................................................................39 2.7.2. Estruturas Secundárias - Circuito Monofásico.................................................................................40 2.7.3. Estruturas Secundárias - Circuito Trifásico.......................................................................................41 2.7.4. Nomenclatura Atual: Cabos Multiplexados.......................................................................................44 2.8. Caminhamento da Rede Secundária..........................................................................................................48 2.9. Condutores......................................................................................................................................................48 2.10. Identificação dos Circuitos Primário e Secundário...............................................................................48 2.11. Transformadores de Distribuição............................................................................................................49 2.11.1. Potência Nominal..............................................................................................................................49 2.11.2. Dimensionamento.............................................................................................................................49 2.12. Luminárias e Lâmpadas...........................................................................................................................50 2.12.1. Critérios Básicos...............................................................................................................................50 2.12.2. Níveis Mínimos de Iluminamento Horizontais..............................................................................50 2.12.3. Tipos de Lâmpadas..........................................................................................................................51 2.12.4. Tipos de Luminárias.........................................................................................................................53 2.12.5. Tipos de Comandos..........................................................................................................................53 2.13. Aterrramento...............................................................................................................................................53 2.13.1. Aterramento nos Equipamentos de Distribuição.........................................................................53 Exercícios..........................................................................................................................................................................54 UNIDADE III Fornecimento de Energia Elétrica em Média Tensão 3. Fornecimento de Energia Elétrica em Média Tensão..............................................................................58 3.1. Critérios para a ligação em Média Tensão................................................................................................58 3.1.1. Ramal de ligação...................................................................................................................................58 3.1.2. Ponto de Entrega...................................................................................................................................58 3.1.3. Ramal de Entrada.................................................................................................................................58 3.2. Subestação Elétrica.......................................................................................................................................62 3.2.1. Tipos de Subestações Elétricas..........................................................................................................62 3.2.1.1. Subestação Aérea (ao Tempo)..................................................................................................62 3.2.1.2. Subestação Interna (Abrigada)..................................................................................................63 3.3. Fatores característicos da carga.................................................................................................................63 3.3.1. Determinação da demanda de potência............................................................................................66 3.4. Elementos de Entrada em Média Tensão..................................................................................................67 3.4.1. Pára-raios de linha................................................................................................................................683.4.2. Muflas Primárias....................................................................................................................................69 3.4.3. Chave Seccionadora Fusível...............................................................................................................70 3.4.4. Elo-fusível...............................................................................................................................................71 3.4.5. Cabo de Energia Isolado para 15 kV.................................................................................................72 3.4.6. Chave Seccionadora Primária.............................................................................................................73 3.4.7. Cubículo de Medição............................................................................................................................74 3.4.8. Transformadores de Corrente e Potencial........................................................................................74 3.4.8.1. Transformadores de Corrente (TC)...........................................................................................74 3.4.8.2. Transformadores de Potencial (TP)..........................................................................................76 3.4.9. Bucha de Passagem.............................................................................................................................76 3.4.10. Disjuntor de Potência.......................................................................................................................77 3.4.11. Transformadores de Força..............................................................................................................78 3.4.12. Quadro Geral de Cargas em Baixa Tensão.................................................................................81 UNIDADE IV Proteção dos Sistemas Elétricos de Potência 4. Filosofia de Proteção...........................................................................................................................................82 4.1. Finalidade da Proteção.................................................................................................................................82 4.2. Requisitos da Proteção.................................................................................................................................82 4.3. Benefícios da Proteção.................................................................................................................................82 4.4. Correntes de Curto – circuito.......................................................................................................................83 4.5. Tipos de Curto-circuitos................................................................................................................................83 4.6. Dispositivos de Proteção em Média Tensão (Redes Primárias)............................................................84 4.6.1. Chaves Fusíveis....................................................................................................................................84 4.6.1.1. Tipos de Chave Fusível:..............................................................................................................85 4.6.1.2. Componentes da Chave Fusível................................................................................................85 4.6.1.3. Dimensionamento da Chave Fusível........................................................................................85 4.6.1.4. Elo Fusível.....................................................................................................................................86 4.6.1.5. Tipos de Elos Fusíveis.................................................................................................................86 4.6.1.6. Emprego de Elo Fusível para Proteção de Transformadores...............................................87 4.6.1.7. Dimensionamento de Elo Fusível para Proteção de Ramais................................................87 4.6.2. Religadores............................................................................................................................................90 4.6.2.1. Funcionamento do Religador......................................................................................................90 4.6.2.2. Operação do Religador................................................................................................................90 4.6.2.3. Instalação do Religador...............................................................................................................91 4.6.2.4. Constituição básica de um Religador........................................................................................91 4.6.2.5. Vantagens......................................................................................................................................91 4.6.2.6. Coordenação religador x elo fusível do lado da carga...........................................................91 4.6.3. Seccionalizador.....................................................................................................................................92 4.6.3.1. Funcionamento do seccionalizador...........................................................................................92 4.6.3.2. Esquema básico de ligação........................................................................................................93 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................................................................94 4 1. Sistema Elétrico Um Sistema Elétrico, na sua concepção mais geral, é constituído pelos equipamentos e materiais necessários para transportar a energia elétrica desde a fonte até os pontos em que ela é utilizada. Sua representação pode ser feita utilizando uma diagramação multifilar ou unifilar. Fig. 1.1 - Diagrama Unifilar de um Sistema de Potência O sistema elétrico de potência se dividir em três etapas básicas, que são: Etapas Básicas - Geração Elétrica - Transmissão Elétrica - Distribuição Elétrica 5 Fig. 1.2 - Diagramação de um Sistema Elétrico de Potência Fig. 1.3 - Fluxograma de um Sistema Elétrico de Potência 6 Geração de Energia Elétrica A geração de energia elétrica pode ser realizada por meio de hidrelétricas, utilizando o potencial das águas, aproveitando a energia térmica de algum combustível (geração termelétrica), ou até mesmo fontes de energia renováveis na natureza, com o vento e o sol (geração eólica e solar respectivamente). No Brasil o uso de energia proveniente das hidrelétricas responde pela maior parte da demanda energética do país. De acordo com o Sistema de Informações de Geração da Agência Nacional de Energia Elétrica SIGA-ANEEL, disponível em sua página da web, a participação das fontes de geração de energia elétrica na matriz energética brasileira se encontram distribuídas conforme tabela apresentado abaixo: Tabela 1: Matriz Elétrica Brasileira Fonte: SIGA – ANEEL, acessado em 20 de Novembro de 2021, disponível em: https://bit.ly/2IGf4Q0 As siglas apresentadas na primeira coluna da Tabela 1 significam: UHE: Usina Hidroelétrica UTE: Usina Termoelétrica EOL: Usina Eólica PCH: Pequenas Centrais Hidrelétricas UFV: Usina Fotovoltaica UTN: Usina Termonuclear CGH: Centrais Geradoras Hidrelétricas Como é possível notar, a fonte hidráulica, aquela que aproveita o potencial do movimento das águas de um rio, é predominante na matriz elétrica brasileira. A fonte hidráulica, juntamente com a fonte térmica, responde por aproximadamente 85% da capacidade instalada de geração do Brasil, isso torna o Sistema Elétrico Brasileiro com uma característica que podemos denominar de Hidrotérmica. Contudo, principalmente na última década, a fonte eólica vem ganhando destaque no cenário elétriconacional, correspondendo hoje a 11% desta matriz. https://bit.ly/2IGf4Q0 7 Fonte Hidráulica - Usinas Hidrelétricas (UHE, PCH e CGH) Provavelmente a forma mais antiga de conversão de energia é a utilização da potência hídrica. Nas usinas hidrelétricas a energia é obtida livre de qualquer custo, apesar do custo inicial da instalação ser de sobremodo elevado, devido principalmente às vultuosas obras de engenharia civil. Com relação à preservação do meio ambiente, a obra de uma usina hidrelétrica é um processo que agride bastante o meio ambiente, tendo em vista que uma área considerável será alagada para obter a formação de um grande reservatório de água. Porém, o processo de geração de energia elétrica em si não traz impactos ao meio ambiente pois este processo não emite gases tóxicos para a atmosfera e também não emite dejetos oriundos de seu processo de geração. Como já visto no tópico anterior, O Brasil é um país rico em usinas desse tipo. Atualmente, as maiores usinas hidrelétricas do mundo com suas capacidades de geração são as seguintes: 1. Três Gargantas – China – 22.500 MW 2. Itaipu – Brasil/Paraguai – 14.000 MW 3. Xiluodu – China – 13.860 MW 4. Belo Monte – Brasil – 11.233 MW 5. Guri – Venezuela – 10.200 MW A usina de Itaipu já foi considerada a maior usina hidrelétrica do mundo, quando foi finalizada em 2012 a obra da usina de Três Gargantas na China e que durou 19 anos, ultrapassando a usina de Itaipu. A usina de Três Gargantas foi construída no rio Yang-tsé, esta usina tem capacidade de 22.500 MW e abastece nove províncias e duas cidades, incluindo Xangai. A usina de Itaipu está localizada no Rio Paraná, na fronteira Brasil-Paraguai e tem capacidade de 14.000 MW. Considerada uma usina binacional, sendo responsável por atender quase 15% da demanda de energia brasileira e 93% do Paraguai, sua energia acumulada desde o início de sua operação, em 1984, abasteceria o mundo por 43 dias. A usina de Xiloudu está situada na província de Sichuan, na China, no curso superior do rio Jinsha (Yantze superior), a terceira maior usina hidrelétrica do mundo foi concluída em 2014, com capacidade de gerar 13.860 MW. Fornece eletricidade principalmente para o leste e centro da China e também para Sichuan e Yunnan. Em 4º lugar vem a usina de Belo Monte, considerada a maior hidrelétrica 100% brasileira, está localizada no rio Xingu, no Pará, entre os municípios de Altamira, Brasil Novo e Vitória do Xingu, tem capacidade para gerar 11.233 MW de energia, a obra foi concebida a fio d'água, tecnologia de preservação sustentável com o objetivo de reduzir o impacto ambiental. A Hidrelétrica de Guri, localizada no Rio Caroni, na Venezuela, possui 7.426 metros de comprimento e 162 metros de altura. Sua construção foi concluída em 1986, tem capacidade para 8 gerar 10.200 MW através de suas 20 turbinas, é responsável pelo abastecimento de energia de toda a Venezuela. Em uma usina hidrelétrica, a produção de energia elétrica depende da diferença de altura entre a parte superior do reservatório de água da usina e o nível das turbinas. Essa diferença é conhecida como altura de queda. A água caindo dessa altura adquire energia cinética que é transferida às pás da turbina hidráulica, impulsionando um rotor que gira a uma determinada velocidade, cortando os enrolamentos do estator do gerador, produzindo tensão elétrica entre os terminais do mesmo. Fig. 1.4 – Modelo de uma usina hidrelétrica 9 Fig. 1.5 – Descida de um rotor de uma usina hidrelétrica O gerador terá que girar o suficiente para produzir uma tensão elétrica com frequência de 60 ciclos por segundo, ou Hertz, que é a frequência adotada em todo o sistema elétrico brasileiro. Quanto mais polos menos giros por segundo para se obter 60 Hertz. Assim, se um gerador tem 4 polos, precisará girar a 1.800 rotações por minuto para criar uma tensão de 60 Hertz de frequência. , onde: F - valor da frequência em Hertz; P - número de polos da máquina; N - velocidade da máquina primária, rpm. Acoplado ao eixo do gerador está uma turbina, que é uma máquina projetada para suportar uma pressão mecânica e produzir um efeito cinético. Associados a essas várias alturas de quedas existem alguns tipos de turbinas convenientes: a) Turbinas Pelton São adequadas para operar entre quedas de 350 m até 1100 m, sendo por isto muito mais comum em países montanhosos. A Usina Hidrelétrica Governador Pedro Viriato Parigot de Souza, 10 no Paraná, utiliza turbinas Pelton. Um dos maiores problemas destas turbinas, devido à alta velocidade com que a água se choca com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito abrasivo da areia misturada com a água, comum em rios de montanhas. Um dos maiores problemas destas turbinas, devido à alta velocidade com que a água se choca com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito abrasivo da areia misturada com a água, comum em rios de montanhas. Fig. 1.6 – Turbina Pelton b) Turbinas Francis São adequadas para operar entre quedas de 40 m até 400 m. A Usina hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina hidrelétrica de Tucuruí, Furnas e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda d' água. Fig. 1.7 – Turbina Francis http://pt.wikipedia.org/wiki/Furnas_Centrais_El%C3%A9tricas http://pt.wikipedia.org/wiki/Usina_hidrel%C3%A9trica_de_Tucuru%C3%AD http://pt.wikipedia.org/wiki/Itaipu http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1e/TurbinaPelton.jpg http://pt.wikipedia.org/wiki/Imagem:GeradorWestingHouse.jpg 11 c) Turbinas Kaplan São adequadas para operar entre quedas até 60 m. A única diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o rotor. Este se assemelha a um propulsor de navio (similar a uma hélice). Um servomotor montado normalmente dentro do cubo do rotor é responsável pela variação do ângulo de inclinação das pás. Fig. 1.8.a – Turbina Kaplan Fig. 1.8.b – Turbina Kaplan 12 Fig. 1.8.c e d – Descidas de Turbinas Kaplan Por motivos técnico-econômicos os geradores de energia elétrica, por maiores que sejam, são projetados para gerar tensões de até no máximo 25 kV. Outro fato é que as usinas hidroelétricas são construídas longe dos grandes centros consumidores, o que implica em transmitir a energia elétrica a longas distâncias. Fonte Térmica - Usina Termelétricas (UTE) Os ciclos mais desenvolvidos para geração termelétrica são: caldeira geradora de vapor e turbogerador a vapor, motogerador com o ciclo diesel, em geral com óleos pesados, óleo diesel ou gás natural e turbogerador a gás, em geral com óleos leves ou gás natural. O fluido que irá mover a turbina é o vapor produzido numa caldeira de pressão. Uma caldeira vem a ser um equipamento composto de tubos d’água em todo o seu perímetro, formando o que se chama de parede d’água. No interior da caldeira, ladeada pelas paredes d’água, há a zona de combustão ou fornalha, onde o combustível queimará e assim aquecerá a água no interior dos tubos da parede d’água. Este vapor será coletado no topo da caldeira, num equipamento chamado tambor e através de tubulações será conduzido até a turbina. O vapor sob alta pressão e temperatura se expandirá e movimentará as palhetas da turbina. 13 Fig. 1.10 - Usina Térmelétrica a) Turbinas a Vapor A combustão de carvão ou a queima de óleo em caldeiras produz vapor a alta temperatura e pressão, que vai acionar turbinas a vapor. O óleo apresenta a vantagem de poder ser bombeado, através de um oleoduto, diretamente da refinaria à caldeira da usina termelétrica. Fig. 1.11 – Turbina a vapor 14 b) Turbinas a Gás A utilização de turbinas a gás como motores primários tem algumas vantagens sobre as turbinas a vapor. Em operação normal, entretanto, são menos econômicas. Sua principal vantagem reside na capacidade de partir e tomar carga rapidamente.Assim, as turbinas a gás estão sendo introduzidas no sistema como um método para atender aos picos de carga. Hoje o mercado de térmicas, utilizando gás natural, está em ampla expansão, sendo indispensável para a sustentação do setor energético brasileiro. Fig. 1.12 - Turbina a gás GE série H, para geração elétrica, de potência de 480 MW. Fonte Nuclear - Usina Nuclear ou Termonuclear (UTN) Em uma usina nuclear, um reator nuclear controlado substitui a caldeira tradicional como fonte de calor. O calor liberado no processo de fissão é levado, através de um refrigerante primário, a um gerador de vapor que é essencialmente um trocador de calor. O vapor é então usado na produção de eletricidade. O vapor é produzido num vaso de pressão chamado gerador de vapor, que é aquecido indiretamente pela água que resfria um reator nuclear. No reator se processa uma reação de fissão decorrente do choque de nêutrons com o núcleo de átomos de urânio que se partem provocando uma grande liberação de energia térmica. Este sistema, chamado de primário, fica a alta pressão e temperatura, sendo que uma bomba faz o resfriamento do interior do reator por fazer esta água circular de onde se processa a reação nuclear até o gerador de vapor onde esta água cede energia térmica por condução, através dos vários tubos em que se bifurca a linha de http://pt.wikipedia.org/wiki/Megawatt http://pt.wikipedia.org/wiki/Imagem:GE_H_series_Gas_Turbine.jpg%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5 15 resfriamento do reator para aumentar a área de transferência. A água do gerador de vapor, que é o sistema secundário, se aquece até vaporizar-se. Este vapor movimentará a turbina. Fig. 1.13 – Usina Nuclear Fonte Eólica - Usinas Eólicas, Parques Eólicos ou Complexo Eólico (EOL) As Usinas Eólicas aproveitam a força da velocidade dos ventos para gerar eletricidade. São grandes hélices (como cata-ventos gigantes) instaladas em altas torres ou em locais altos. Esses locais devem ser privilegiados do ponto de vista de ventos. É necessário que haja vento, de preferência fortes, o tempo todo. No dia em que não tiver vento não será possível a geração de energia elétrica. A grande vantagem da usina eólica é que não existe nenhum tipo de poluição. 16 Fig. 1.14 – Usina Eólica Fig. 1.15 – Funcionamento de um aerogerador 17 Fonte Solar - Usina Solar Fotovoltaica As usinas solares, na sua concepção mais simples, é considerada como sendo uma grande central geradora elétrica que utiliza várias placas fotovoltaicas para, de forma direta, transformar a luz do sol em eletricidade e enviá-la aos centros urbanos por meio de linhas de transmissão. Também são conhecidas como complexo solar ou parque solar, Transmissão de Energia Elétrica Por Transmissão de Energia Elétrica está normalmente implícito o grosso da transferência de energia pelas linhas de alta tensão, entre os principais centros de carga. Historicamente o suprimento de energia elétrica iniciou-se pelo emprego da corrente contínua. Posteriormente, a maior flexibilidade oferecida pela corrente alternada, permitindo gerar uma tensão, transmitir em outra e ainda distribuir em outro nível, fez com que esta passasse a ser utilizada com maior intensidade. A adoção do motor de gaiola, simples, robusto e confiável, peça essencial na indústria, foi também um fator decisivo na adoção universal do suprimento de energia elétrica em corrente alternada. Surgiram assim as primeiras linhas de transmissão, evoluindo no nível de tensão e capacidade de transmissão à medida que o desenvolvimento científico e tecnológico permitia um conhecimento cada vez maior dos fenômenos elétricos de transporte de energia. Fig. 1.16 – Linhas de transmissão de energia elétrica Para que seja economicamente viável a tensão gerada nas usinas deverá ser elevadas, para poder ser transmitida através de cabos condutores até o centro de carga (cidades). Este processo é feito dentro de subestações elevadoras, situadas próximas da geração, sendo os níveis de tensões na saída da subestação extremamente elevados, mas com menores valores de 18 corrente. Isto devido ao transformador, equipamento indispensável nos circuito com corrente alternada. Os níveis de tensão de transmissão mais usuais são de 138 kV, 230 kV, 345 kV, 500 kV e 750 kV em corrente alternada. Fig. 1.17 – Subestação elevadora de tensão Em sistemas de grande porte, é usual a interligação entre sistemas, formando uma rede. O número de interligações aumenta a confiabilidade do sistema, porém aumentando a complexidade. A interligação pode tanto contribuir para o suprimento de energia quanto para a propagação de falhas do sistema: um problema que ocorra em um ponto da rede pode afundar a tensão nos pontos a sua volta e acelerar os geradores, sendo necessário o desligamento de vários pontos, incluindo centros consumidores, havendo o aparecimento de apagões ou blecautes. O aumento na capacidade de transmissão, à medida que se eleva o nível de tensão, é realçado pelo tamanho físico das estruturas, ou seja, uma linha de 765 kV carrega o equivalente a 30 linhas de 138 kV, com uma estrutura de transmissão mais ou menos o dobro da estrutura de 138 kV. http://pt.wikipedia.org/wiki/Apag%C3%A3o http://pt.wikipedia.org/wiki/Complexidade http://pt.wikipedia.org/wiki/Confiabilidade 19 Fig. 1.18 – Comparação entre estruturas de transmissão Componentes de um Sistema de Transmissão a) Cabos Condutores Através dos cabos condutores realiza-se o processo de transmissão de energia elétrica em uma LT. Características de um cabo ideal: Alta condutividade elétrica; Boa resistência mecânica; Resistir bem às intempéries; Custo não elevado. b) Material dos Condutores - Em linha de transmissão são utilizados, normalmente, cabos condutores com fio de Alumínio dispostos em camadas com ou sem alma de aço. b.1) Cabos ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced) ou CAA - Cabo de Alumínio reforçado por um núcleo de aço. Estes cabos são representados utilizando nomes de aves em Inglês Fig. 1.19 - Cabo CAA Penguin (1 fio de Fig.1.20 - Cabo CAA Grosbeak ( 7 fios de 20 aço + 6 de Alumínio) aço + 26 fios de Alumínio) b.2) Cabos CA - Cabos que possuem apenas fios de alumínio encordoados. Estes cabos são representados utilizando nomes de flores em Inglês. Ex.: Cabo CA Tulip (19 fios de Alumínio). b.3) Seção Nominal dos Condutores - A especificação dos cabos dos cabos nus de alumínio é feita em AWG. FIOS E CABOS PADRÃO AWG / MCM American Wire Gauge e 1000 Circular Mils (1 mil = .0254 mm) FIOS E CABOS PADRÃO MÉTRICO Bitola Diâmetro aproximado [mm] Seção aproximada [mm²] Resistência aproximada1 [ohm/m] Corrente máxima2 [A] Seção nominal [mm²] Corrente máxima2 [A] 14 AWG 1,6 2,1 0,0083 16 1,5 15 12 AWG 2,0 3,3 0,0052 22 2,5 21 10 AWG 2,6 5,3 0,0033 35 4 28 8 AWG 3,3 8,4 0,0021 50 6 36 6 AWG 4,1 13 0,0013 62 10 50 4 AWG 5,2 21 0,00082 70 16 68 2 AWG 6,5 34 0,00051 90 25 89 1 AWG 7,4 42 0,00041 110 35 111 1/0 AWG 8,2 54 0,00032 130 50 134 3/0 AWG 10,4 85 0,00021 190 70 171 4/0 AWG 11,7 107 0,00016 210 95 207 300 MCM 13,8 150 - 250 120 240 400 MCM 15,4 185 - 300 185 310 600 MCM 19,5 300 - 380 240 365 800 MCM 22,6 400 - 450 300 420 1000MCM 25,2 500 - 480 400 500 - - - - - 500 Tabela 1 – Seção nominal dos cabos de alumínio c) Isoladores - Ligam os cabos condutores isolando-os eletricamente da estrutura de transmissão, servindo, também, como resistência as solicitações mecânicas e elétricas dos cabos condutores. O desempenho de uma linha de transmissão está diretamente relacionado com os seus isoladores. Tipos: Isoladores de Pino - usado até tensões de 69 kV. 21 Isoladores de Suspensão.- para tensões acima de 69 kV. Os materiais normalmente utilizados na fabricação de isoladores são: Porcelana Vitrificada,Vidro Temperado, Fibra de Vidro (Poliméricos) e Resinas Sintéticas (Poliméricos). A medida que os níveis de tensão são elevados o tamanho do isolador aumenta e o número de isoladores por cadeia também. As cadeias de isoladores garantem a isolação da estrutura, e se rompida por motivos naturais (poluição e corrosão) ou vandalismo, comprometem a estabilidade do circuito, obrigando as proteções a atuarem e paralisando o fornecimento de energia. Fig. 1.21 – Cadeia de isoladores para 230 kV Fig. 1.22 – Coluna de isoladores em uma torre. Os anéis próximos aos cabos e nas ferragens dos isoladores são usados para uniformizar o campo elétrico, reduzindo o efeito corona. d) Estruturas das linhas aéreas de transmissão Tem como objetivo sustentar os cabos condutores e elementos associados, como isoladores, ferragens e cabos para-raios. As linhas de transmissão de energia elétrica constam fundamentalmente de duas partes: Parte Ativa - cabos condutores que são os agentes do transporte de energia; Parte Passiva - isoladores, ferragens e estruturas, que assegura o afastamento dos condutores do solo e entre si; Elementos Acessórios - cabos para-raios e aterramentos que servem para proteção dos condutores. http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_corona 22 Obs.: Cabos Para-raios - ocupam a parte superior das estruturas e se destinam a interceptar descargas de origem atmosférica e descarregá-las para o solo, evitando que causem danos e interrupções nos sistemas. Fig. 1.23 - Estruturas auto-portantes - transmite todos os esforços diretamente para as suas fundações. Cross Rope Raquete Fig. 1.24 - Estruturas Estaiadas - parte das solicitações são absorvidas pelos estais e a outra pelas fundações. 23 Distribuição de Energia Elétrica A distribuição é a etapa desenvolvida, via de regra, nos centros consumidores. As linhas de subtransmissão alimentam subestações abaixadoras, geralmente situadas nos centros urbanos, delas partem as linhas de distribuição primária. Cada povoado, ou conjunto de bairros terá sua subestação de distribuição cujo porte fica frequentemente na faixa de 5 MVA a 100 MVA. Destas subestações emergem os alimentadores primários que com capacidade de 2 a 10 MVA atendendo os consumidores primários (médias indústrias, centros comerciais, etc.) e suprindo as subestações transformadoras que abaixam a tensão primária (34,5 kV, 13,8 kV) para a tensão de distribuição secundária (380 V, 220 V ou 127 V). Onde são conectados a maioria dos consumidores residenciais, comerciais e serviços públicos. Redes Primárias Os circuitos primários operam usualmente em 13,8 kV carregando blocos de potência de alguns MVA’s através de distâncias da ordem de quilômetros. Ao longo do percurso vão sendo alimentados consumidores dessa tensão e estações transformadoras de distribuição secundária. Fig. 1.25 – Sistema de distribuição primário 24 1.3.1.1. Redes Primárias Aéreas a) Rede Primária Radial O tipo mais simples é a rede radial que evolui em forma de árvore, cujo o tronco é chamado de alimentador principal ou tronco e aos demais ramos de ramais ou laterais. Evidentemente a confiabilidade desse arranjo é baixa, pois apesar de haver chaves com fusíveis nas derivações dos ramais, um defeito na rede pode tirar todo o alimentador de serviço. Fig. 1.26 – Rede Primária Radial b) Rede Primária em Anel Aberto Utilizando-se de conexões opcionais de alguns pontos do alimentador principal a circuitos vizinhos, através de seccionadoras ou chaves a óleo é possível um intercâmbio de cargas em situações de contingência. Evidentemente, dependendo da localização do defeito haverá interrupção em áreas restritas, como: ramais, segmento do tronco que contém o defeito compreendido entre duas chaves de manobra. Fig. 1.27 – Rede Primária em Anel Aberto 25 Redes Secundárias As redes secundárias são predominantemente radiais, à menos do caso de zonas de alta densidade de carga nos quais se opta pelo sistema de distribuição subterrânea. Este caráter radial advém do fato que a rede secundária é responsável por uma parcela pequena de carga (5 kVA a 100 kVA) o que também não justifica proteções mais complicadas da que fusíveis no primário do transformador da estação a ela associada. As redes secundárias radiais podem ser monofásicas ou trifásicas, com ou sem neutro conforme sejam as conexões do secundário do transformador de distribuição. Fig. 1.28 – Sistema de distribuição primário e secundário 26 2. Projeto de uma Rede de Distribuição de Energia As definições a seguir foram retiradas de algumas normas das concessionárias do grupo Neoenergia: a) Área urbana - Definido de acordo com o sistema de cadastro centralizado da distribuidora. b) Aterramento Temporário - Ligação elétrica efetiva, confiável, adequada e intencional à terra, destinada a garantir a equipotencialidade, mantida continuamente durante a intervenção na instalação elétrica. c) Banco de Capacitor - Dispositivo capaz de gerar um fluxo de energia elétrica reativa capacitiva, ou seja, com fase oposta à energia reativa dos dispositivos indutivos, diminuindo os valores de perdas e de queda de tensão no sistema elétrico de distribuição. d) Banco Regulador de Tensão – Conjunto de reguladores de tensão interligados de modo a funcionar como uma unidade reguladora. e) Cabo Coberto - Cabo dotado de cobertura protetora extrudada de material polimérico, visando à redução da corrente de fuga em caso de contato acidental do cabo com objetos aterrados e diminuição do espaçamento entre condutores. f) Cabos Isolados Multiplexados de BT - Cabo de potência multiplexado autossustentado, constituído por três condutores-fase de alumínio de seção compactada, com isolação sólida extrudada de polietileno reticulado (XLPE), nas cores preto, cinza e vermelho, classe de tensão 0,6/1 kV, dispostos helicoidalmente em torno de um condutor neutro em liga de alumínio isolado (XLPE) utilizados em redes aéreas secundárias. g) Cabos Isolados Multiplexados de MT - Cabo de potência multiplexado autossustentado, constituído por três condutores fase, isolados e blindados, com cobertura, reunidos ao redor de um elemento de sustentação para utilização em redes aéreas de distribuição de energia elétrica até 15 kV, conforme ABNT NBR 9024. h) Capacitor - Dispositivo de regulação e controle de reativo do sistema elétrico da distribuição. i) Chave Automática - Dispositivo de proteção contra sobrecorrente, automático, destinado a abrir e religar uma ou mais vezes um circuito de corrente alternada, de acordo com uma sequência determinada de operações. j) Chave Religadora Fusível - Chave utilizada para proteção de equipamentos e ramais das redes de distribuição de energia em ramais que alimentam núcleos rurais, visando a redução de interrupções prolongadas motivadas por falhas transitórias. k) Carga Instalada - Soma das potências nominais dos equipamentos elétricos instalados na unidade consumidora, em condições de entrar em funcionamento, expressa em quilowatts. 27 l) Demanda - Média das potências elétricas instantâneas solicitadas ao sistema elétrico durante um período de tempo especificado. m) Estrutura - Conjunto de peças de concreto e/ou ferro galvanizado que se destina a fixar e sustentar os condutores de uma rede aérea de distribuição. n) Extensão de Rede de Distribuição Primária - Novo circuito primário ou acréscimo de um trecho de rede em tensão primária de distribuição, inclusive a adição de fases, construído a partir de ponto da rede existente. o) Extensão de Rede de Distribuição Secundária - Novo trecho de rede em tensão secundária de distribuição construído a partir de ponto da rede existente. p) Fator de Demanda - Razão entre a demanda máxima num intervalo de tempo especificado e a carga instalada na unidade consumidora.q) Ponto de Entrega - É a conexão do sistema elétrico da distribuidora com a unidade consumidora, definindo o limite de responsabilidade da distribuidora. r) Queda de Tensão Máxima - Diferença de tensão compreendida entre o barramento da subestação e o ponto mais desfavorável onde se situa um transformador de distribuição ou um consumidor primário. s) Ramal de Ligação - Conjunto de condutores e acessórios instalados entre o ponto de derivação da rede da Distribuidora e o ponto de entrega. t) Rede de Distribuição Aérea Multiplexada de Baixa Tensão - Rede de baixa tensão que opera com tensão máxima de 380 V, utilizando condutores encordoados, conhecidos comercialmente como multiplexados. u) Rede de Distribuição Compacta (RDC) - Rede de distribuição aérea de energia elétrica com cabos cobertos fixados em espaçadores sustentados por cabo mensageiro, apresentando uma configuração compacta. v) Rede de Distribuição Rural (RDR) - Rede de distribuição de energia elétrica situada fora do perímetro urbano de uma cidade, vila ou povoado. w) Rede de Distribuição Urbana (RDU) - rede de distribuição do sistema de energia elétrica das áreas urbanas e/ou suburbanas dos centros populacionais. x) Rede Primária – Rede de média tensão de distribuição com tensões nominais de operações de 11,9 kV, 13,8 kV e 34,5 kV. y) Rede de Distribuição Aérea Multiplexada de Baixa Tensão - Rede de baixa tensão que opera com tensão máxima de 380 V, utilizando condutores encordoados, conhecidos comercialmente como multiplexados. z) Regulador de Tensão - Equipamento em que a tensão é controlada em degraus, por meio de derivações, sem interrupção do fornecimento de energia à carga. aa) Religador Automático - Dispositivo de proteção contra sobrecorrente, automático, destinado a abrir e religar uma ou mais vezes. 28 bb) Sistema de Distribuição - Sistema elétrico com tensão máxima de 36,2 kV que, derivado do barramento secundário de uma subestação de distribuição, atinge os pontos de consumo. cc) Sistema Monofásico com Retorno pela Terra (MRT) - Rede primária provida de um condutor fase cujo retorno da corrente é feito através do solo. dd) Unidade Consumidora - Conjunto composto por instalações, ramal de entrada, equipamentos elétricos, condutores e acessórios, incluída a subestação, quando do fornecimento em tensão primária, caracterizado pelo recebimento de energia elétrica em apenas um ponto de entrega, com medição individualizada, correspondente a um único consumidor e localizada em uma mesma propriedade ou em propriedades contíguas. ee) Rede Primária - rede de média tensão com tensão nominal de operação de 13,8 kV. ff) Rede Secundária Multiplexada - rede de baixa tensão, operando com tensão máxima de 380 V, utilizando condutores encordoados, conhecidos comercialmente como multiplexados. Fig. 2.1 – Rede de distribuição urbana O projeto constará da utilização de postes de concreto, ou de fibra, com cruzeta tipo T, ou cruzetas de beco, dispostos sobre a planta de uma localidade. Nesse projeto usaremos postes primário e secundário, projetados, com seus respectivos condutores, transformadores e luminárias. Obedecendo aos seguintes critérios: 29 Critérios para elaboração de projetos de Redes de Distribuição • A rede de distribuição aérea deve ser projetada em conformidade com as normas ABNT NBR 15688:2009 e ABNT NBR 15992:2011. • Os condutores devem ser escolhidos mediante estudo econômico que leve em consideração: densidade e crescimento da carga, capacidade de transporte de energia, características da área, perdas técnicas, reaproveitamento dos padrões e agressividade da atmosfera. • Os isoladores devem ser escolhidos de acordo com as características da estrutura, da rede e da área a qual estarão inseridos. • Os postes de seção circular serão utilizados apenas para iluminação pública especial. • Postes de 9 metros deverão ser utilizados com estruturas de rede secundária, não havendo previsão de instalação de rede primária. • Postes de 11 ou 12 metros deverão ser utilizados com estruturas de rede primária ou secundária com previsão de instalação da primária. • Postes de 12 metros serão utilizados para execução de derivação e instalação de equipamentos. • Profundidade de engastamento: m, sendo L = comp. do poste. Critérios de Locação dos Postes Nas áreas urbanas a locação dos postes deverá determinar vãos de até 40 metros. Em casos especiais poder-se-á projetar vãos de até 50 metros que é o máximo vão permitido para o espaçamento vertical do circuito secundário de 0,20 metros. Nos casos onde existir somente rede primária poderão ser utilizados, inicialmente, vãos de até 80 metros, prevendo-se futura intercalação de postes. No cruzamento de ruas, os postes que formam o vão de travessia deverão distar de 4 a 10 metros do alinhamento dos terrenos, salvaguardando os casos em que as condições não permitam o afastamento acima. Os postes deverão ser locados preferencialmente nas divisas dos lotes e de forma a evitar entradas de garagem, pátios de postos de gasolina, praças públicas, portas de armazéns, janelas de prédios, sacadas e marquises. Também deverão ser locados de tal forma que o número máximo de consumidores por poste seja de 7 e o comprimento do ramal, seja no máximo de 35 metros. Em ruas de até 20 metros de largura, incluindo o passeio, os postes deverão ser locados sempre de um mesmo lado (disposição unilateral) observando-se a sequência da rede existente. 30 Estruturas com os seus circuitos elétricos Distância entre os postes (metros) Altura padrão (metros) Esforço das estruturas (kgf) Primária 80 11 e 12 600 Secundária 40 9 300 Primária e Secundária 40 11 e 12 600 Simbologia utilizada no Projeto de Distribuição de Energia DESCRIÇÃO EXISTENTE PROJETADO Poste de Concreto Duplo T - Primário Poste de Concreto Duplo T - Secundário Poste Circular de Concreto Poste de Concreto Ornamental Poste de Aço ____ Poste de Aço Ornamental ____ Poste de Madeira Circular Circuito Primário Circuito Secundário Circuito Primário e Secundário em Poste Primário Encabeçamento Primário Encabeçamento Secundário Encabeçamento dos circuitos Primário e Secundário Seccionamento do circuito Primário Seccionamento do circuito Secundário Amarração e derivação do circuito primário Amarração e derivação do circuito secundário Derivação do circuito Primário Derivação do circuito Secundário 31 Circuito Primário com encabeçamento do circuito secundário Circuito secundário com encabeçamento do circuito Primário Cruzamento Secundário com ligação Cruzamento Secundário sem ligação Cruzamento Primário com Ligação Cruzamento Primário sem Ligação Aterramento Estai de âncora Estai de poste Estai de cruzeta Pára-raio tipo válvula Luminária incandescente - 100 W Luminária Mista - 160 W Luminária vapor de mercúrio - 125 W Luminária vapor de mercúrio - 250 W Luminária vapor de mercúrio - 400 W Luminária Fluorescente Luminária vapor de sódio - 70 W 32 Luminária vapor de sódio - 150 W Relé fotoelétrico individual Relé fotoelétrico de comando em grupo Interruptor horário Chave magnética Transformador da empresa Transformador particular Transformador de cooperativa Transformador da empresa em cabina Transformador particular em cabina Transformador de cooperativa em cabina Chave fusível sem abertura em carga Chave fusível com abertura com carga Chave a óleo unipolar Chave a óleo tripolar Chave faca unipolar sem abertura em carga Chave faca unipolar com abertura em carga 33 Chave faca tripolar sem abertura em carga Chave faca tripolar com abertura em carga Estruturas Primárias com condutores nus Estrutura de alinhament o reto e pequenos ângulos Estrutura para aplicação em ângulos, sem ancoragem 34 Estrutura de fim de linha (encabeçame nto) Estrutura deamarração intermediári a com ângulos 35 Estrutura de amarração intermediári a com ângulos da até 120º Estrutura com transformad or 36 Estrutura fim de linha com transformad or Estrutura de amarração intermediári a com chave fusível 37 Estrutura de alinhament o reto e chave fusível na derivação Estruturas Primárias (Rede Compacta) CE1 38 CE2 CE3 39 CE4 CE3-CE3 2.7. Caminhamento da Rede Primária No traçado dos alimentadores deverão ser observados os seguintes critérios: O caminhamento deverá ser o mais próximo possível das concentrações de carga, seguindo o sentido de crescimento da área. Seguir, preferencialmente, o lado não arborizado das ruas ou avenidas. As ruas ou avenidas escolhidas para o trajeto, deverão estar topograficamente definidas e seu traçado aprovado pela Prefeitura Municipal. O traçado deve ser tal que evite a proximidade de sacadas e marquises, evitar ruas de tráfego intenso, evitar o lado da rua onde estão instalados as redes de água e esgotos, evitar a construção de pequenas derivações objetivando apenas locar um transformador 40 exatamente no centro da carga e o traçado deve permitir que se mantenha a configuração radial da rede. Deverão ser evitadas mudanças constantes de direção perseguindo pequenas concentrações de carga, como também, sempre que possível, circuitos duplos, principalmente em áreas muito movimentadas. No caso de projeto de reformas, deve ser considerado o máximo aproveitamento da rede existente. A rede primária com condutores nus de alumínio, por ser de menor custo, deve ser projetada em caráter geral, sempre que não existam impedimentos à sua utilização. A rede de iluminação pública deverá ser projetada em circuito independente e exclusivo com caminhamento abaixo da rede secundária. Estruturas Secundárias Características das Estruturas Secundárias: a) Nomenclatura anterior B - Baixa tensão. A - Amarração. D - derivação 2, 4 - Número de fios Estruturas Secundárias com condutores nus - Circuito Monofásico 41 42 Estruturas Secundárias - Circuito Trifásico 43 44 45 Estruturas Secundárias – Rede de Cabos Multiplexados (Nomenclatura atual) 46 47 48 49 Caminhamento da Rede Secundária No traçado da rede secundária deverão ser observados os seguintes critérios: A rede secundária principal (barramento dos transformadores de distribuição) deve preferencialmente, ser implantada sob o tronco dos alimentadores primários. A rede secundária principal deverá ser instalada em ruas e avenidas de fácil acesso e de maior densidade de carga. O traçado da rede deverá seguir, preferencialmente o lado não arborizado das ruas, evitar a proximidade de sacadas e marquises, evitar o lado da rua onde estão implantados as redes de água e esgoto e evitar a proximidade de redes telegráficas. Deve ser considerada a instalação da rede secundária dos dois lados da rua, sempre que a largura desta for superior a 20 metros, incluindo os passeios. Quando o traçado da rede coincidir com o traçado da rede telefônica, devem ser obedecidos os termos do contrato de uso mútuo de postes. No caso de projeto de reformas, deve ser considerado o máximo aproveitamento da rede existente. A rede de iluminação pública deverá ser projetada em circuito independente e exclusivo com caminhamento abaixo da rede secundária. Condutores Em projetos de RDU devem ser utilizados condutores, conforme tabela abaixo: TIPO DE REDE TIPO DE CONDUTORES MATERIAL DESCRIÇÃO Rede Primária Nus Alumínio 1/0 CAA, 4/0 CAA e 336,4 CA Rede Primária Nus Cobre 35mm2, 70mm2 e 120mm2 Secundária Multiplexada isolados para 1 kV Alumínio 35mm2, 70mm2 e 120mm2 Identificação dos Circuitos Primário e Secundário 50 Circuito Projetado Circuito Existente Tipo do Condutor Secundário Secundário CA – s/ alma de aço Primário Primário CAA – c/ alma de aço Transformadores de Distribuição Potência Nominal Recomenda-se que as potências nominais, em kVA, dos transformadores trifásicos de distribuição, tensão nominal de 13,8 kV, para postes, sejam padronizados em 15, 30, 45, 75 e 112,5 kVA. Fig. 2.2 – Transformador de Distribuição Dimensionamento Os Transformadores serão dimensionados de forma a atender o crescimento da carga até o ano 5, em função da taxa de crescimento da área, e de sorte até atingir naquele ano o seu carregamento final (máximo), quando será substituído por outro de maior capacidade ou promover-se-á a sub - divisão da área de influência. Desta forma recomenda-se o dimensionamento inicial de transformadores de: 15 kVA - áreas de consumidores tipo A . 30 kVA - áreas de consumidores tipo B. 51 45 kVA - áreas de consumidores tipo C. 75 kVA - áreas de consumidores tipo D. a) Consumidores tipo A - Consumidores de poucos recursos cuja possibilidade de utilizar eletrodomésticos são mínimas (no máximo ferro e rádio). b) Consumidores tipo B - Consumidores cujas possibilidades de utilizar alguns aparelhos eletrodomésticos razoáveis (radio, ferro, geladeira, chuveiro). c) Consumidores tipo C - Consumidores com reais possibilidades de utilizar todos os eletrodomésticos e no máximo dois chuveiros. d) Consumidores tipo D - Consumidores que utilizam ou podem utilizar todos os eletrodomésticos. Obs.: somente poderão ser instalados para-raios tipo distribuição em transformadores com potência nominal acima de 45 kVA. CONDUTORES DA REDE SECUNDÁRIA POTÊNCIA DO TRAFO CONDUTOR DA FASE CONDUTOR DO NEUTRO 15 3 X 35 mm2 1 X 35 mm2 30 3 X 35 mm2 1 X 35 mm2 45 3 X 70 mm2 1 X 70 mm2 75 3 X 70 mm2 1 X 70 mm2 112,5 3 X 120 mm2 1 X 70 mm2 Luminárias e Lâmpadas Critérios Básicos A fixação de níveis de iluminamento médio de uma rua é um dos pontos básicos de um projeto de iluminação. A escolha deste nível é baseada em uma série de fatores tais como: a importância do logradouro, o tráfego de veículos e o movimento de pedestres, além da obediência aos valores de iluminamento recomendado pela ABNT. 52 Níveis Mínimos de Iluminamento Horizontais Tráfego Motorizado Trânsito de pedestres Leve (Lux) Médio (Lux) Intenso (Lux) Leve 3 7,5 15 Médio 7,5 15 20 Intenso 15 20 25 Tipos de Lâmpadas Com o objetivo de racionalizar investimentos e economizar energia, nos projetos de iluminação pública, sem prejuízo dos níveis de iluminamento médios definidos para cada tipo de via, recomenda-se a utilização dos seguintes tipos de lâmpadas: Vapor de Sódio Vapor de Mercúrio http://www.aluminosa.com.br/loja/fotos.asp?foto=imagens/produtos/271/V.%20DE%20S%C3%A0DIO%20DVSO-400%20-%20400W.jpg 53 Esquema de Ligação Esquema de Ligação Os projetos utilizando o padrão COSERN utilizaram a seguinte correspondência: Padrão Atual Novo Padrão Desenho VM 80 e 125 W VS 70 W VM 250 W VS 150 W 54 VM 400 W VS 250 W Tipos de Luminárias Com a finalidade de proporcionar uma melhor uniformidade do fluxo luminoso da lâmpada utilizada, recomenda-se o emprego dos seguintes tipos de luminárias: Luminária de alumínio estampada aberta, com acabamento interno anodizado. Luminária de alumínio estampada ou fundida, fechada com acabamento interno anodizado. Tipos de Comandos a) Comando Individual - Consiste o sistema de apenas um relé fotoelétrico, ligado diretamente ao secundário da distribuição, energizando ou desenergizando uma lâmpada. b) Comando em Grupo - Consiste basicamente de uma célula fotoelétrica, que atua sobre um relé auxiliar e qual comanda uma chave magnética energizando o circuito. Aterrramento Todos os transformadores deverão ter seu ponto neutro e sua carcaça ligado à terra através de uma mesma haste. Os pontos finais de cada circuito secundário também deverão ser aterrados através de uma haste de terra. Aterramento nos Equipamentos de Distribuição Transformadoresem sua carcaça. Chaves a óleo em sua carcaça. 55 Seccionalizadores em sua carcaça. Regulador de tensão em sua carcaça. Chaves seccionalizadoras tripolares - na base desses equipamentos. Banco de capacitores - parte metálica das estruturas e quando a ligação deste exigir. Grupo de para-raios - a fim de completar a ligação normal. 56 Exercícios 1) Especifique as estruturas abaixo: a) b) 57 c) 58 d) 59 e) 60 3. Fornecimento de Energia Elétrica em Média Tensão O fornecimento de energia a um consumidor primário de distribuição é feito através de um alimentador com tensão trifásica de 13,8 kV, onde o limite de potência instalada seja superior a 75 kW e igual ou inferior a 2500 kW, sendo necessária uma subestação abaixadora, instalada na propriedade do consumidor, que deverá ser montada em postes ou construída sobre alvenaria. Caso a potência instalada seja inferior a 75 kW, a concessionária fornecerá energia elétrica em tensão secundária de 380/220 V, através de transformadores instalados em postes e localizados nas ruas públicas. Critérios para a ligação em Média Tensão Ramal de ligação Ser sempre aéreo; Partir do poste da rede da concessionária; Ter comprimento máximo de 40 metros na área urbana e 80 metros na área rural; Não cruzar terrenos de terceiros ou passar sobre área construída; Entrar preferencialmente pela frente da unidade de consumo e ser perfeitamente visível e livre de obstáculos; Ser único para cada unidade de consumo; Não ser acessível através de janelas, sacadas, telhados, escadas, ou outros locais de acesso de pessoas; Respeitar as posturas municipais, estaduais e federais; especialmente quando atravessar logradouros públicos, rodovias e ferrovias; Altura mínima em relação ao solo de 12 metros para ferrovias, 8 metros para rodovias, 6 metros para ruas e avenidas e 5,5 metros para circulação de pedestres. Ponto de Entrega Quando o prédio da subestação ou estrutura com transformador estiver localizado em terreno situado em área urbana, o ponto de entrega será na primeira estrutura do consumidor localizada em sua propriedade, podendo ser na própria parede da edificação da subestação. Quando o ramal de entrada for subterrâneo partindo de poste de propriedade da concessionária, o ponto de entrega será nos terminais (muflas) instalados no referido poste. Ramal de Entrada Ser instalado pelo consumidor; Não cruzar terrenos de terceiros ou passar sobre área construída; 61 Não ser acessível através de janelas, sacadas, telhados, escadas, ou outros locais de acesso de pessoas; O dimensionamento dos condutores deve ser feito levando em consideração a carga instalada e a corrente de curto-circuito; Os condutores deverão ser instalados de forma a permitir as seguintes distâncias mínimas, medidas na vertical, entre o condutor inferior e o solo: 6 metros para locais de trânsito ou passagem de veículos e 5,5 metros para circulação de pedestres. Fig. 3.1.a – Ponto de Entrega Aéreo – Subestação Abrigada 62 Fig. 3.1.b – Ponto de Entrega Aéreo – Subestação Abrigada Fig. 3.2.a – Ponto de Entrega Aéreo – Subestação aérea 63 Fig. 3.2.b – Ponto de Entrega Aéreo – Subestação aérea Fig. 3.3 – Ramal de Entrada Subterrâneo 64 Subestação Elétrica A subestação tem como finalidade transformar a energia elétrica recebida, sob certas características e entregá-la, de forma conveniente, aos consumidores. Uma subestação compreende equipamentos de manobra, de transformação, de conversão (modificação de tensão, frequência e corrente) e de estrutura. Normalmente são subdivididas em três grupos principais: primárias ou de transformação, secundárias ou de distribuição e industrial. As primárias destinam- se apenas à transmissão de energia elétrica, enquanto que as secundárias são empregadas para transformar, converter ou subdividir a energia a ser distribuída. As industriais são utilizadas para transformar a energia do sistema de distribuição em energia sob condições de utilização direta pelo consumidor. Tipos de Subestações Elétricas Subestação Aérea (ao Tempo) Normalmente é montada em postes, ou plataformas ao ar livre, recebendo alimentação por ramal de entrada aérea. Possui os dispositivos de proteção e controle instalados na própria estrutura da subestação e sua limitação de potência é de até 225 kVA. Fig. 3.4 – Subestação aérea – Transformador de 75 a 225 kVA 65 Subestação Interna (Abrigada) Este tipo de subestação se localiza dentro de construção de alvenaria, de forma independente ou fazendo parte da estrutura, satisfazendo os seguintes critérios: Acesso fácil para a manutenção e operação dentro da segurança necessária a essas atividades; Proteção contra interferências externas; Proteção em tela metálica ou esquadria especial para as áreas de utilização; O ramal de alimentação para essa subestação é de entrada subterrânea, através de dutos e a sua limitação de potência é de 2500 kVA. Fig. 3.5 – Subestação Abrigada Fatores característicos da carga 1) Curva de carga ou demanda - É a associação de demanda com os tempos correspondentes, num período especificado. Se o período é um dia, obtemos a curva diária de carga. 66 Fig. 3.6 – Pontos importantes numa curva de carga Sobre essa conceituação derivam: a) Demanda Instantânea - É o valor da demanda quando o intervalo de demanda tende a zero. b) Demanda média - É a média aritmética das demandas em um intervalo de tempo especificado (diária, mensal, anual, etc.). c) Demanda máxima - É a maior demanda ocorrida num período especificado. É função do período especificado e do intervalo de demanda. d) Fator de demanda - É a relação entre a demanda máxima e a potência instalada. Indica a fração da instalação que está sendo utilizada. É um número 1. Tabela 3.1 – Fatores de demanda Número de motores em operação Fator de demanda em % 1 – 10 70 - 80 11 – 20 60 – 70 21 – 50 55 – 60 51 – 100 50 – 60 Acima de 100 45 – 55 Tabela 3.2 – Fatores de demanda para iluminação e tomadas Descrição Fator de demanda em % Auditório, salões para exposição e semelhantes 100 Bancos, lojas e semelhantes 100 Clubes e semelhantes 100 Escolas e semelhantes 100 para os primeiros 12 kW e 50 para o 67 que exceder Escritório (edifícios de) 100 para os primeiros 20 kW e 70 para o que exceder Garagens comerciais e semelhantes 100 Hospitais e semelhantes 40 para os primeiros 50 kW e 20 para o que exceder Hotéis e semelhantes 50 para os primeiros 20 kW - 40 para os seguintes 80 kW – 30 para o que exceder de 100 kW Igrejas e semelhantes 100 Residências (apartamentos residenciais) 100 para os primeiros 10 kW - 35 para os seguintes 110 kW e 25 para o que exceder de 120 kW Restaurante e semelhantes 100 e) Fator de carga - É a relação entre a demanda média e a demanda máxima. O fator de carga é sempre 1. f) Fator de simultaneidade - É a relação entre a demanda máxima de um conjunto de cargas e a soma das demandas máximas individuais do mesmo conjunto de cargas, no intervalo de tempo especificado. O fator de simultaneidade resulta da coincidência das demandas máximas de algumas cargas, devido à natureza de sua operação O fator de simultaneidade é sempre 1. Tabela 3.3 – Fatores de simultaneidade Aparelhos Número de Aparelhos (cv) 2 4 5 8 10 15 20 50 Motores: ¾ a 2,5 0,85 0,80 0,75 0,70 0,60 0,55 0,50 0,40 Motores: 3 a 15 0,85 0,80 0,75 0,75 0,70 0,65 0,55 0,45 Motores : 20 a 40 0,80 0,80 0,80 0,75 0,65 0,60 0,60 0,50 Acima de 40 cv 0,90 0,80 0,70 0,70 0,65 0,65 0,65 0,60 Retificadores 0,90 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,70 0,70 Soldadores 0,45 0,45 0,45 0,40 0,40 0,30 0,30 0,30 Fornos resistivos 1 1 - - - - - - Fornos de indução 1 1 - - - - - - g) Fator de utilização – É o fator pelo qual deve ser multiplicada a potência nominal do aparelho para se obter a potência média absorvida pelo mesmo, nas condiçõesde utilização. 68 Tabela 3.4 – Fatores de utilização Aparelhos Fator de utilização Motores: ¾ a 2,5 0,70 Motores: 3 a 15 0,83 Motores : 20 a 40 0,85 Acima de 40 cv 0,87 Retificadores 1 Soldadores 1 Fornos resistivos 1 Fornos de indução 1 Secadores, caldeiras, etc. 1 Determinação da demanda de potência Cabe ao projetista a decisão sobre a previsão da demanda da instalação, a qual deve ser tomada em função das características da carga e do tipo de operação da indústria. Como regra geral, a determinação da demanda pode ser assim obtida: a) Demanda dos aparelhos Determina-se a demanda dos aparelhos individuais multiplicando-se a sua potência nominal pelo fator de utilização. Deve-se, no entanto, considerar, no caso de motores, seus respectivos fatores de serviço e rendimento. b) Demanda dos quadros de distribuição parciais É obtida somando-se as demandas individuais dos aparelhos e multiplicando-se o resultado pelo respectivo fator de simultaneidade entre os aparelhos considerados. c) Demanda do quadro de distribuição geral É obtida somando-se as demandas concentradas nos quadros de distribuição e aplicando- se o fator de simultaneidade adequado. Quando não for conhecido o fator com certa precisão, adota-se o valor unitário. Exemplo 1 – Utilizando os quadros de carga 1 e 2, determine as demandas dos CCM’s, QDL’s , QGF’s , os fatores de demanda global e a potência dos transformadores, para cada grupo de carga. 69 Exemplo 1 – Observe o quadro de carga abaixo Quadro de Carga 1 N0 Tipo de carga Potência Rendimento Fator de potência Quantidade 1 Motor de indução 30 cv 0,92 0,83 10 2 Motor de indução 50 cv 0,90 0,86 5 3 Motor de indução 75 cv 0,92 0,86 10 4 Lâmpadas incandescentes 100 W 1 1 52 5 Lâmpadas fluorescentes 40 W 1 0,95 150 Exemplo 2 – Observe o quadro de carga abaixo Quadro de Carga 2 N0 Tipo de carga Potência Rendimento Fator de potência Quantidade 1 Iluminação fluorescente 40 W 1 0,5 100 2 Tomadas 100 VA - 0,9 200 3 Motor do elevador 10 cv 0,90 0,85 2 4 Motor na Cozinha 2,5 cv 0,92 0,83 1 5 Outras cargas na cozinha 8 kW - - - 6 Laboratório 2,5 cv 0,92 0,83 1 7 Bomba d’água 7,5 cv 0,96 0,80 1 8 Ar condicionado central - bombas 115 cv 0,96 0,86 - 9 Ar condicionado central - chiller 117,5 kW - - 1 Elementos de Entrada em Média Tensão O princípio de funcionamento de uma subestação pode ser resumido observando o diagrama unifilar da fig. 11.1, que mostra a esquematização de uma subestação abrigada. 70 Fig. 3.7 – Diagrama Unifilar de uma Subestação Abaixadora Pára-raios de linha São construídos para a proteção da instalação contra descargas atmosféricas nas linhas de distribuição. Os pára-raios de linha são instalados na estrutura mais próxima da subestação e operam com surtos de tensão acima da nominal da linha. Estes surtos devem ser descarregados para a terra. Os pára-raios comportam-se como se fosse constituído de dois eletrodos, isolados entre si, e uma resistência variável com a tensão, ligada a terra. Esta resistência possui um coeficiente negativo, diminuindo o seu valor com a tensão aplicada. Uma vez descarregado o surto, em milésimo de segundo, a corrente residual devido à tensão da linha, é bloqueada pelo rápido aumento da resistência. Fig. 3.8 – Pára-raios de Corpo Polimérico 71 Na especificação de um pára-raios é necessário que se indique os seguintes elementos: Tensão nominal eficaz, em kV; Freqüência nominal; Máxima tensão disruptiva de impulso, em kV; Máxima tensão disruptiva à freqüência nominal, em kV; Corrente de descarga, em A. Tabela 3.5 – Características dos para-raios Tensão nominal (kV) Tensão disruptiva a freqüência industrial (kV) Máxima tensão de descarga (kV de crista) Máxima tensão disruptiva por manobra (valor de crista) 5000A 10000A 3 4,4 18 13 8,25 6 9 31 22,6 15,5 9 13,5 46 32,5 23,5 12 18 54 43 31 15 22,5 64 54 39 27 40,5 99 97 70 39 58,5 141 141 101 Muflas Primárias A interligação entre o poste e a subestação abrigada com entrada subterrânea é feita através de três cabos elétricos. Estes cabos são conectados ao sistema de distribuição através de muflas, que são terminais de conexão que permitem ligações entre um cabo a um barramento, a uma chave ou a outro cabo, preservando os valores de tensão de isolamento de linha. Fig. 3.9 – Muflas com Isoladores 72 Fig. 3.10 – Vista Externa de uma Terminação Termocontrátil Na especificação de uma mufla é necessário que se indique os seguintes elementos: Tipo da mufla: corpo de porcelana ou termocontrátil; Condutor isolado a ser conectado, em mm2 ; Terminal do condutor externo, em A; Tensão nominal eficaz, em kV Corrente nominal, em A; Tensão máxima de operação em kV; Tensão suportável de impulso, em kV; Uso (interno ou externo). Chave Seccionadora Fusível São dispositivos eletromecânicos que tem como função básica, interromper o circuito elétrico quando da fusão do elo-fusível. Componentes da chave fusível: Elo fusível; Cartucho ou canela; Isolador; Base ou dispositivo de fixação. Na especificação de uma chave fusível é necessário que se indique os seguintes elementos: Tensão nominal eficaz, em kV; Frequência nominal; Máxima tensão de operação, em kV; Tensão suportável de impulso (NBI), em kV; Corrente nominal, em A; 73 Capacidade de ruptura, em kA. Fig. 3.11 – Chave Fusível Indicadora Elo-fusível É um componente da chave fusível que é sensível a um valor de corrente superior à sua corrente admissível, o qual atinge o ponto de fusão em uma temperatura da ordem de 2300 C, dando início ao processo de interrupção do circuito ao qual está ligado. Fig. 3.12 – Tipos de Elos Fusíveis Tabela 3.6 – Elos fusíveis para transformadores Potência do Transformador kVA Elo Fusível Chave Fusível (A) 15 1 H 50 30 2 H 50 45 3 H 50 75 5 H 50 112,5 6 K 50 150 8 K 50 225 10 K 50 74 300 15 K 100 500 25 K 100 750 40 K 100 1000 50 K 100 Cabo de Energia Isolado para 15 kV Atualmente, os cabos primários isolados mais comumente utilizados em instalações elétricas industriais são os de cobre com isolação à base de PVC, de polietileno reticulado ou ainda os de borracha etileno-propileno. Os cabos isolados da classe de tensão de 15 kV são constituídos de um condutor metálico revestido de uma camada de fita semicondutora por cima da qual é aplicada a isolação. Uma segunda camada de fita semicondutora é aplicada à blindagem metálica que pode ser composta de uma fita ou de fios elementares. Finalmente, o cabo é provido de uma capa externa de borracha, normalmente de PVC. Fig. 3.13 – Componentes de Cabo Unipolar da Classe de até 34 kV com Blindagem de Fios Metálicos Na especificação de um cabo de energia é necessário que se indique os seguintes elementos: Seção quadrática, em mm2; Tipo do condutor: cobre ou alumínio; Tipo da isolação: PVC (cloreto de polivinila), XLPE (polietileno reticulado) e EPR (etileno-propileno); Tensão nominal de isolação; Tensão suportável de impulso. 75 Tabela 3.7 – Ramal de entrada de alta tensão subterrâneo Potência Instalada (kVA) Bitola (mm2) Eletroduto - Diâmetro (polegada) Até 700 25 4” 701 a 1200 35 4” 1201 a 1700 50 4” 1701 a 2000 70 4” 2001 a 2500 120 4” Chave Seccionadora Primária Chave constituída de lâminas, unipolares ou tripolares, com possibilidade de desligamento externo, por haste de comando, e destinada a interromper, de modo visível, um determinado circuito. Devido a seu poder de interrupção ser praticamente nulo, devem ser operadas com o circuito em vazio (somente tensão). Podem ser seccionadora interruptora, do tipo manual ou automática, que são capazes de desconectar um circuito operando a plena carga. Fig. 3.14 – Chave Seccionadora Trifásica Na especificação de uma chave seccionadora primária é necessário que se indique os seguintes elementos: Corrente nominal, emA; Tensão nominal, em kV; Tensão suportável a seco, em kV; Tensão suportável sob chuva, em kV; Tensão suportável de impulso, em kV; Uso (interno ou externo); Corrente de curta duração para efeito térmico, valor eficaz, em kA; Corrente de curta duração para efeito dinâmico, valor de pico, em kA; Tipo de acionamento (manual ou automática). 76 Cubículo de Medição O cubículo de medição contém os medidores e dispositivos auxiliares, que controlam o consumo e desempenho da energia em alta e baixa tensão. Os dados do consumo utilizados pela concessionária, para efetuar a cobrança da energia por ela fornecida, são os seguintes: Potência ativa; Potência reativa; Fator de potência A medida desses parâmetros é feita de forma indireta, com auxílio de transformadores de potencial e de corrente, que evitam a conexão direta com alta tensão, isolando eletricamente da linha os seus dispositivos de medida. Os medidores de energia antigos eram constituídos de duas unidades: um medidor de kWh e outro de kVArh. Atualmente estas unidades estão sendo substituídas por único medidor, que registra não só apenas as energias ativa e reativa, como também outras variáveis de medida. Os medidores, transformadores de potencial e de corrente destinados à medição são fornecidos e instalados pela concessionária, que continuará como proprietária dos mesmos, cabendo ao consumidor sua guarda e responsabilidade pela conservação dos selos de segurança. Fig. 3.15 – Medidor de Energia Eletrônico Transformadores para Instrumentos Utilizados para baixar correntes ou tensões a valores usuais de medição por instrumentos normais. Transformadores de Corrente (TC) Os transformadores de corrente estão divididos em dois tipos fundamentais: transformadores de medição e transformadores para proteção. Os transformadores de corrente é 77 um equipamento capaz de reduzir a corrente que circula no seu primário para um valor inferior no secundário. Os transformadores de corrente são constituídos de um enrolamento primário, feito, normalmente de poucas espiras de cobre, um núcleo de ferro e um enrolamento secundário para corrente nominal padronizada normalmente de 5 A. Fig. 3.16 – Transformador de Corrente com chave de curto circuito no secundário Cuidados devem ser tomados para não deixar em aberto os terminais secundários do TC, quando da desconexão dos equipamentos de medida a eles ligados, pois, do contrário, surgirão tensões elevadas no secundário, que danificarão o transformador de corrente e, também, levando perigo as pessoas. Os TCs podem ser classificados nos seguintes tipos, de acordo com a disposição do enrolamento primário e a construção do núcleo. TC do tipo barra TC do tipo enrolado TC do tipo janela TC do tipo bucha Fig. 3.17 – Transformador de Corrente do Tipo Janela Potência Instalada (kVA) Relação de Transformação Até 150 5/5 151 a 300 10/5 301 a 450 15/5 451 a 600 20/5 601 a 900 30/5 901 a 1200 40/5 1201 a 1500 50/5 1501 a 2250 75/5 2251 a 2500 100/5 Tabela 3.8 – Transformadores de corrente para medição em alta tensão,classe de isolamento 15kV 78 Transformadores de Potencial (TP) É um equipamento capaz de reduzir a tensão do circuito para níveis compatíveis com a máxima suportável pelos aparelhos de medida. A tensão primária do TP é função da tensão nominal do sistema elétrico ao qual está ligado, enquanto a tensão secundária é padronizada e tem valor fixo de 115 V. Os TPs são construídos para serem ligados entre fases ou entre fase e neutro ou terra, devem suportar uma sobretensão permanente de até 10%, sem que lhes ocorra nenhum dano. São próprios para alimentar instrumentos como voltímetro, bobina de potencial de medidores de energia. Fig. 3.18 – Transformador de Potencial Bucha de Passagem São dispositivos constituídos de um isolador de louça e que servem para passar um circuito aéreo de um cubículo fechado ao seu vizinho. As buchas de passagem podem ser classificadas em: a) Bucha de passagem para uso interno – interno e externo - interno 79 Fig. 3.19 – Bucha de passagem para uso interno – interno Fig. 3.20 - Bucha de passagem para uso externo - interno Fig. 3.21 – Aplicação de Buchas de passagem para uso interno Os seguintes elementos podem especificar uma bucha de passagem: Corrente nominal, em A; Tensão nominal, em kV; Tensão suportável a seco, em kV; Tensão suportável sob chuva, em kV; Tensão suportável de impulso, em kV; Uso (interno – interno ou externo – interno). Disjuntor de Potência É um equipamento destinado à manobra e a proteção de circuitos primários, capaz de interromper grandes potências de curto-circuito durante a ocorrência de um defeito. Os disjuntores estão sempre associados a relés, sem os quais não passariam de simples chaves com alto poder de interrupção. Entre os tipos mais conhecidos de disjuntores podem ser citados: Disjuntores a grande volume de óleo (pouco utilizado); Disjuntores a pequeno volume de óleo; Disjuntores a hexafluoreto de enxofre (SF6). O princípio de interrupção dos disjuntores, em geral, está na absorção da energia que se forma durante a abertura dos seus contatos. Uma parte do óleo em torno do arco se transforma 80 em gases, provocando uma elevada pressão na câmara hermeticamente fechada, proporcional ao valor da corrente interrompida. Esta pressão gera um grande fluxo de óleo que é dirigido sobre o arco, extinguindo-o e devolvendo a rigidez dielétrica ao meio isolante. Os disjuntores a pequeno volume de óleo podem ser fabricados para montagem fixa ou extraível com operação de fechamento manual ou automática. Fig. 3.22 – Disjuntor a pequeno volume de óleo Fig. 3.23 – Disjuntor a pequeno volume de óleo No pedido de um disjuntor devem constar, no mínimo, as seguintes informações: Tensão nominal, em kV; Corrente nominal, em A; Capacidade de interrupção nominal, em kA; Freqüência nominal; Tempo de interrupção; Tipo de comando: manual ou motorizado; Tensão suportável de impulso, em kV; Acionamento frontal; Montagem: fixa ou extraível. Transformadores de Força O transformador de força se constitui no equipamento básico de uma subestação abaixadora. Ele é o responsável pela modificação do valor de tensão do ramal de alimentação (alta tensão) para os valores exigidos pela carga da subestação (baixa tensão). Nos transformadores trifásicos, usados nas subestações abaixadoras, os enrolamentos (primário e 81 secundário) são feitos para circuitos trifásicos com configuração delta para o primário e estrela aterrado para o secundário. Fig. 3.24 – Transformador de Força Devido aos valores de potência, que se desenvolvem nos enrolamentos, serem altos, o aquecimento por perdas no cobre e no ferro é grande, obrigando o arrefecimento forçado do transformador. Na maioria das vezes o arrefecimento nos transformadores de subestações industriais é feita pela imersão dos seus enrolamentos em óleo mineral. Neste tipo de arrefecimento, a circulação do óleo é feita pelo efeito de convecção e a troca de calor com o ar ambiente é feita por tubulações externas. As características específicas que permitem a classificação dos transformadores de força quanto ao uso e aplicação já se encontram normalizados pela ABNT, onde destacamos: Transformador de potência, geralmente usado para transmissão ou distribuição de alta potência (acima de 500 kVA). Transformador de Distribuição, usado para distribuição de potência das linhas de transmissão para redes de consumo local, com potência inferior a 500 kVA. A tabela abaixo mostra valores práticos de transformadores usados em subestações. Os valores de impedância percentual e rendimento são dados importantes para a operação em paralelo e para determinação das correntes de curto-circuito, usados no dimensionamento dos
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