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TECNOLOGIA DOSTECNOLOGIA DOS
EQUIPAMENTOS ELÉTRICOSEQUIPAMENTOS ELÉTRICOS
PROTEÇÃOPROTEÇÃO
Au to r ( a ) : E s p . M e n d e l s s o n R a i n e r M a c e d o N eve s
R ev i s o r : C a m i l o A l ve s
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Introdução
Caro(a) estudante, tanto os circuitos de baixa tensão como os de alta tensão
exigem proteções contra as anomalias que podem ocorrer na rede elétrica,
visto que temos a preocupação de proteger os circuitos e as pessoas dos
surtos vindos da rede elétrica. Em circuitos de baixa tensão, os principais
atuadores de proteção são os disjuntores normais, os quais protegem os
circuitos, e os disjuntores de corrente residual, os quais protegem as pessoas
de uma possível corrente elétrica residual, não sendo esta direcionada à
terra. Nos circuitos mais simples de baixa tensão, a defesa dos dispositivos
de seccionamento e de proteção é feita por meio dos fenômenos
eletromagnéticos, os quais detectam a alta corrente e acionam os
mecanismos de abertura do equipamento. Em circuitos que envolvem altas
tensões, a preocupação é ainda maior, pois estes podem abranger toda a
linha do alimentador ou, até mesmo, a depender da carga do barramento, a
subestação da concessionária. Assim, os altos níveis de corrente podem
danificar os equipamentos, podendo haver perdas materiais e, em último
caso, mortes, com uma possível explosão de equipamentos. Apesar de
existirem disjuntores de média tensão, sua forma de atuação não é a mesma
dos de baixa tensão. Já os disjuntores de alta tensão necessitam de
comandos secundários para atuarem como protetores. Veremos também
que os relés de proteção permitem a detecção das correntes de sobrecarga e
de curtos-circuitos e, a partir disso, enviam o comando de abertura do
circuito para o disjuntor. Além disso, serão apresentadas as características
dos isoladores do sistema elétrico de potência.
Os circuitos elétricos sempre estão sujeitos a diversos eventos, visto que, na
maior parte das vezes, as redes elétricas são aéreas e estão expostas ao
tempo, podendo apresentar defeitos transitórios ou permanentes, tais como
galhos tocando a rede elétrica e gerando uma falta transitória ou permanente
de energia, caso haja uma fusão dos cabos. Desse modo, neste mesmo
contexto, se ocorresse o rompimento de algum cabo, isso geraria uma falta
permanente. Para que esses efeitos sejam evitados e a fim de proteger os
equipamentos e as pessoas, é necessário o monitoramento dessas
grandezas para uma rápida atuação do circuito de proteção (COTRIM, 2009).
Os relés são os dispositivos responsáveis por enviar tais comandos de
proteção. Eles são divididos em relés eletromecânicos, eletrônicos e digitais,
sendo este último também chamado de relé microprocessado, com uso mais
comum nas subestações (MAMEDE FILHO, 2013). Nos subtópicos seguintes,
veremos as características construtivas, o princípio de funcionamento, as
especificações técnicas dos relés e as normas a serem seguidas quando
estamos trabalhando com este tipo de dispositivo. As proteções que serão
discutidas estarão envolvidas com as correntes de curto-circuito e as de
sobrecarga, além das variações de níveis de tensão e frequência.
Relés de proteção
Características construtivas
A construção interna de cada relé depende do tipo de tecnologia que será
utilizada em sua fabricação, visto que todos eles apresentam a função de
proteger, monitorar e manobrar as redes elétricas. Pode-se dividir os relés em
três grupos: eletromecânicos, eletrônicos e digitais. Os eletromecânicos
podem ser subdivididos em relés fluidodinâmicos, eletromagnéticos,
eletrodinâmicos, de indução e térmicos. A seguir, vejamos cada um deles.
a)  Relés fluidodinâmicos: este tipo de relé não é muito utilizado nas
operações das concessionárias devido a sua limitação de potência e a sua
incapacidade de ficar exposto ao tempo. Desse modo, ele é usado em
pequenas e médias instalações industriais de até 1000 kVA. Em seu
funcionamento, utiliza-se o óleo de vaselina na ação de temporização, a qual,
devido à quantidade de óleo no equipamento, determina o tempo de atuação
do dispositivo. Eles apresentam dificuldades em coordenar com a proteção
dos elos fusíveis (MAMEDE FILHO, 2013). Na Figura 4.1, temos a
representação de um relé fluidodinâmico.
Figura 4.1: Relé de ação direta do tipo fluidodinâmico
Fonte: Mamede Filho (2005, p. 278).
#PraCegoVer: a imagem mostra um relé fluidodinâmico em fundo branco. Nela,
estão identificadas as principais partes do dispositivo, como a mola, o
mecanismo de operação, a bobina de abertura, a placa de identificação dos
ajustes de corrente, o mecanismo de trava, o terminal de fonte e, por fim, o
terminal de carga.
b) Relés eletromagnéticos: sua construção é baseada na ação de um circuito
magnético que envolve um núcleo magnético. Esse núcleo está envolvido por
bobinas ligadas aos terminais do circuito auxiliar de alimentação do relé. Tal
núcleo apresenta um entreferro com uma peça móvel ligada a uma reatância,
estando esta conectada ao fio terra. A peça em questão também está
conectada a um contato móvel, o qual ativa os terminais do circuito de
acionamento. Os relés eletromagnéticos foram substituídos pelos
fluidodinâmicos. Na Figura 4.2, temos o esquema interno de um relé
eletromagnético.
Figura 4.2: Relé eletromagnético
Fonte: Mamede Filho (2005, p. 267).
#PraCegoVer: a imagem apresenta o esquema de construção de um relé
eletromagnético. Nela, são ilustrados o núcleo magnético e o fluxo magnético
interno, o qual é gerado pelos terminais do circuito auxiliar de alimentação do
relé. O fluxo magnético influencia no entreferro móvel, o qual está conectado a
uma reatância ligada à terra, e no contato móvel, o qual une os terminais do
circuito de acionamento.
c) Relés eletrodinâmicos: este tipo de relé não é muito utilizado devido à
complexidade de seu funcionamento, apesar de ele possuir uma alta
sensibilidade se comparado aos demais. Sua construção conta com uma
bobina fixa e uma móvel. Seu campo elétrico é gerado por meio de uma
corrente que passa pelos terminais da bobina fixa, podendo tal corrente ser
contínua ou, até mesmo, alternada retificada. Já a bobina móvel atua quando
o princípio de polos iguais se repele, acionando o circuito de comando
normalmente aberto (NA) e normalmente fechado (NF) (MAMEDE FILHO,
2013).
Figura 4.3: Relé eletrodinâmico
Fonte: Mamede Filho (2005, p. 268).
#PraCegoVer: a imagem apresenta o esquema de construção de um relé
eletrodinâmico. Nela, é ilustrado o núcleo ferromagnético do relé que está
envolvido com os terminais da bobina, os quais estão contidos na parte central
do núcleo. No entreferro, temos os terminais da bobina móvel, os quais acionam
os terminais dos circuitos duplos de comando (NA-NF).
d) Relés de indução: também chamado de relé secundário, é muito utilizado
em subestações industriais e de consumidores. Sua construção conta com
dois núcleos magnéticos, um superior e um inferior. O magneto superior
apresenta três pontas, e o inferior duas pontas, formando quatro entreferros,
os quais geram o torque necessário para a movimentação do disco que fica
entre esses espaços. O núcleo superior é conectado aos terminais do circuito
de alimentação, gerando uma corrente por indução nas bobinas do núcleo
inferior. O disco se movimenta pelo princípio das correntes parasitas, sendo
seu movimento acionado por um contato móvel conectado ao circuito de
comando e acionamento da proteção geral (MAMEDE FILHO, 2013).
Figura 4.4: Relé de indução
Fonte: Mamede Filho (2005, p. 268).
#PraCegoVer: a imagem apresenta o esquema de construção de um relé de
indução. Nela, temos dois núcleos, o núcleo superior em formato de “M” e o
inferior em formato de “U”, com as bobinas dos terminais do circuito de
alimentação envolvendo os núcleos superior e inferior. No entreferro dos núcleos,
há um disco de indução que, ao ser movido, ativa um contato móvelpara o
acionamento do comando.
e)  Relés térmicos: são direcionados para a proteção de equipamentos
específicos que sofram com a sobrecarga, visto que, neles, as correntes
elevadas podem danificar os enrolamentos, sendo este defeito capaz de
trazer transtornos no momento da manutenção. A sobrecarga térmica dos
equipamentos ativa o relé que está conectado nesta mesma fase.
f)  Relés eletrônicos: substituem os eletromecânicos quando as aplicações
são indiretas e necessitam de instrumentos de medição para atuarem no
circuito elétrico. Este tipo é muito utilizado em subestações de
consumidores, como em concessionárias de energia. Ele apresenta, como
vantagem, a facilidade de mudança nas características de atuação por meio
das curvas de atuação do aparelho.
g) Relés digitais: contam com microprocessadores e possuem uma interface
inteligente de atuação, fazendo uso de conversores analógicos digitais, para
fazerem a captação das grandezas elétricas coletadas pelos
transformadores de corrente e potencial. Eles também permitem a
programação dos seus status de atuação, possuindo aplicações universais a
depender da curva programada. Além disso, podem ser programados por
interfaces no dispositivo ou por softwares nos computadores.
Princípios de funcionamento
O princípio de funcionamento dos relés é baseado na identificação das falhas
e dos defeitos que podem ocorrer na rede elétrica, onde, através das
unidades de processamento de grandezas elétricas, o equipamento pode
atuar frente a uma anomalia, seja ela transitória ou permanente. O relé de
proteção apresenta diversos componentes, tais como: unidades de entrada,
de conversão de sinal e de medida, fonte de tensão auxiliar e unidades de
saída e de acionamento. O infográfico abaixo trata de um esquema de
funcionamento de um relé de proteção.
Fonte: Mamede Filho (2005, p. 268).
#PraCegoVer: o infográfico é do tipo estático e apresenta o seguinte título na
parte superior: “Esquema básico de funcionamento de um relé de proteção”.
Abaixo, há um esquema básico das unidades internas e externas, representado
por um fluxograma. Na esquerda do fluxograma, temos o Sistema, estando em
série a Unidade de entrada, que envia um sinal para o Relé, onde, internamente,
esse sinal é tratado por uma Unidade de conversão, seguindo para a Unidade de
medida e, posteriormente, para a Unidade de saída. Por fim, a informação chega
à Unidade de Acionamento do circuito. Na parte superior do fluxograma, há um
bloco da Fonte de tensão auxiliar, indicando alimentar as Unidades de medida, a
saída e o acionamento do circuito.
A unidade de entrada é representada pelos transdutores, ou seja, os
transformadores de corrente e potencial que enviam sinais de corrente e
tensão para serem processados pelo relé. Além da captação dos sinais, os
equipamentos garantem o isolamento galvânico do relé com o sistema.
A unidade de conversão de sinal é representada pelos moduladores de sinais
nos quais estão localizados os conversores analógicos-digitais. Temos a
presença de amplificadores e circuitos integrados para realizar essa
modulação de sinal. Isso garante que o microcontrolador receba a
informação no formato digital.
A unidade de medida recebe os sinais convertidos na etapa da unidade de
conversão. Na unidade de medida, os sinais recebidos são comparados com
os sinais nominais referentes à corrente e à tensão coletados pelos
transformadores. Caso haja uma diferença, muito, alta em valores, a unidade
de medida envia um sinal à unidade de saída dizendo que há uma anomalia
transitória ou permanente no sistema.
A fonte de tensão auxiliar alimenta os componentes internos do relé, tais
como os circuitos integrados, os contadores internos e o microcontrolador.
Sua alimentação é do tipo corrente contínua ou corrente alternada. Caso seja
uma corrente alternada, deve-se preferir a alimentação por um nobreak para
haver menos distorção na forma de onda.
A unidade de saída corresponde a uma bobina que, por meio do sinal de
resposta recebido da unidade de medida, pode acionar um contato auxiliar ou
uma bobina, enviando um sinal de atuação para a próxima unidade externa
ao relé.
A unidade de acionamento pode ser representada pelo equipamento de
manobra e seccionamento do circuito, geralmente, um disjuntor de alta
tensão, com o relé sendo um equipamento secundário.
Na proteção contra sobrecorrente, uma aplicação específica não exige
transformadores de potencial, visto que as únicas grandezas a serem
analisadas são as correntes de cada fase e a sua corrente diferencial no
neutro. Isso pode tornar mais barato o custo de projeção das subestações
por meio da economia de equipamentos.
Especificação técnica
Muitas vezes, as especificações técnicas dadas pelas normas nos dizem as
diretrizes que devemos seguir quando efetuamos o projeto de uma
subestação, da mesma maneira que as configurações dos relés de proteção
devem sempre seguir o padrão de estudo das proteções das
concessionárias. A seguir, serão discutidas as principais proteções presentes
nas subestações das concessionárias e em algumas subestações de
consumidor.
a) Relés de sobrecorrente (50/51)
O relé de proteção de sobrecorrente atua quando a corrente ultrapassa um
certo nível que foi pré-ajustado nas configurações do dispositivo. Esta é uma
proteção básica presente em todas as subestações, tanto nas dos
consumidores como nas das concessionárias, sendo mais utilizada nas de
alta tensão, tais como: linhas de transmissão, motores e geradores de grande
potência. De acordo com Mamede Filho (2013), no sistema elétrico, os
principais relés empregados são os de sobrecorrente não direcionais, os
diferenciais, os direcionais e os de distância.
b) Relé diferencial de corrente (87)
O relé de proteção diferencial é baseado na comparação das correntes que
são medidas em cada fase. Caso o módulo de uma das fases se altere, isso
resultará em uma diferença deste. Neste contexto, o relé conseguirá detectar
tal alteração e ativará o circuito de acionamento do disjuntor de média
tensão, sendo isso fundamental para a proteção dos transformadores de
potência, motores, geradores e barramentos. Outra forma de atuação do relé
diferencial é quando ocorrem erros nos transformadores de corrente, sendo
alguns instalados no lado primário, e outros no secundário (MAMEDE FILHO,
2013).
c) Relé direcional (67)
Este relé de proteção é utilizado quando a rede elétrica é alimentada pelos
dois extremos da linha, ou seja, há um fluxo de potência nas duas direções,
ou, até mesmo, quando a rede elétrica apresenta uma configuração em anel.
Sua atuação é acionada caso haja um fluxo de potência e de corrente
contrário àquele que o sistema deveria apresentar. Se detectada esta falha,
um sinal de abertura é enviado ao disjuntor. Este tipo de proteção é exigido
em subestações de autoprodutores de energia, como nas usinas
fotovoltaicas, as quais produzem a própria energia e a injetam na rede. A
concessionária exige tal proteção para que, caso ocorra uma falha na usina, o
erro possa ser identificado e registrado no relé. Segundo Mamede Filho
(2013), os relés direcionais podem ser de sobrecorrente de fase, de terra e de
potência.
d) Relé de distância (21)
O relé de distância é uma proteção contra a sobrecorrente no sistema
elétrico, com funções de proteção semelhantes às proteções 50/51, que são
utilizadas na proteção de redes elétricas curtas, devido ao tempo de atuação
da proteção. Assim, para trechos longos, o tempo de atuação da proteção é
demorado quando empregado nas linhas de transmissão, as quais estão a
quilômetros de distância das subestações. Assim, faz-se necessário o uso
deste tipo de relé, já que sua atuação é diretamente proporcional à distância
entre a falha na rede elétrica e a subestação de instalação do relé (MAMEDE
FILHO, 2013). De acordo com Mamede Filho (2013), os relés de distância
podem ser de impedância, de admitância, ou Mho, e de reatância.
e) Relé de sobretensãoe subtensão temporizado e instantâneo (59/27)
Estes relés apresentam a capacidade de proteger a rede e os equipamentos
de níveis elevados, ou muito baixos, de tensão, os quais estão fora da
programação e das normativas de qualidade da energia elétrica. O número
ANSI 59 é identificado como relé de sobretensão, já o ANSI 27 é apontado
como relé de subtensão. A classificação de temporizado e instantâneo se
refere à velocidade de atuação da proteção, visto que a variação da tensão
determina se o relé será programado como temporizado e instantâneo.
f) Relé de religamento (79)
Este relé é utilizado somente em redes elétricas de distribuição e
transmissão, sendo mais comum nas de distribuição. Como o próprio nome
sugere, este tipo de dispositivo possui a função de religamento, visto que ele,
logo após o circuito ter sido aberto por algum outro relé de sobrecorrente que
tenha atuado, envia um sinal para que o disjuntor se feche novamente. Este
relé é exclusivo para uso das concessionárias de energia, visto que deve ser
realizado um estudo complexo na coordenação e seletividade das proteções
a fim de que haja a correta energização da rede elétrica. As falhas que,
geralmente, ocorrem se trata de defeitos transitórios na rede, tal como
quando não é realizada a poda dos galhos das árvores, os quais acabam
tocando a rede elétrica e causando uma falta momentânea de energia.
Normas recomendadas
Existem normas nacionais, as quais foram elaboradas pela Associação
Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e estão direcionadas aos relés de
proteção e a outras complementares a respeito deste mesmo assunto. As
normas da IEC também são consultadas quando se trata deste mesmo tipo
de relé. Os fabricantes também apresentam um certificado com os ensaios já
realizados nos equipamentos, e, a depender da potência da subestação, os
relés podem ser ensaiados na frente do cliente em fábrica. As principais
normas relacionadas aos relés são dadas a seguir.
NBR 5456 - Eletricidade geral - Terminologia;
NBR 5464 - Eletrotécnica e eletrônica - Interferências
eletromagnéticas;
NBR IEC 60050-446 - Vocabulário Eletrotécnico Internacional - Parte
446: Relés Elétricos.
As concessionárias de energia criam suas especificações técnicas baseadas
nessas normas, as quais têm como base a padronização do uso dos relés de
proteção e controle, a fim de que estas sejam seguidas nas subestações que
estão na área de concessão das distribuidoras. Tais normas descrevem
como os relés de proteção devem ser fabricados, montados e ensaiados. No
projeto de uma subestação, os estudos da proteção e dos curtos-circuitos
devem seguir as condições impostas pela concessionária local, devendo
também ser realizado um estudo de coordenação e seletividade das
proteções da concessionária e da subestação do consumidor.
Fonte: mihail39 / 123RF.
Tipos de proteção
dos sistemas
elétricos
Sobrecargas: são variações
moderadas na corrente
nominal da rede elétrica, a
qual se eleva a um certo valor
que, na maioria das vezes, é
esperado, sendo os seus
componentes projetados para
suportar tal efeito por um
tempo, sem que os
equipamentos do sistema
sejam danificados. Deve-se
tomar muito cuidado quando
isso ocorre em máquinas
elétricas devido à fragilidade
dos enrolamentos.
Todo componente que envolva o sistema elétrico de potência apresenta a
sua função e o seu modo de operação com os demais instrumentos do
sistema especificados. Cada evento que ocorre na rede elétrica deve ser
estudado a fim que seja acionada a proteção correta para tal efeito. Assim,
como o sistema elétrico necessita de confiança no uso das tecnologias de
proteção, o correto dimensionamento das proteções e a coordenação e
seletividade entre elas são essenciais para que o sistema não pare.
Conhecimento
Teste seus Conhecimentos
(Atividade não pontuada)
Utilizados tanto pela concessionária como pelo cliente, os relés de proteção
são dispositivos considerados do grupo A de consumo estabelecido pela
ANEEL. As concessionárias determinam as proteções necessárias para a
conexão do consumidor nas especificações técnicas locais, as quais
fornecem os valores de corrente de curto-circuito, para que seja realizado o
estudo de proteção naquele ponto.
MAMEDE FILHO, J. Proteção de sistemas elétricos de potência. 1. ed. Rio
de Janeiro: LTC, 2013.
A respeito dos relés de proteção e de sua aplicação nas redes elétricas,
assinale a alternativa correta.
a) O relé diferencial atua quando há uma diferença entre as tensões
medidas em cada fase, atuando principalmente nos casos de
sobretensão por chaveamento.
b) Os relés digitais não permitem a programação do relé, somente os
eletrônicos o fazem. Isso ocorre porque estes não são
microprocessados como os outros relés.
c) Os curtos-circuitos são decorrentes de elevações moderadas na
tensão da rede elétrica, as quais são provenientes das descargas
atmosféricas e criam zonas de elevada tensão.
d) Os relés de proteção microprocessados contam com as seguintes
unidades internas: de conversão, de medida e de sinal, as quais,
respectivamente, seguem o caminho do sinal.
e) O relé direcional garante que a corrente possa fluir somente em
uma direção. Ele é usado em redes elétricas nas quais o fluxo de
potência de geração ocorre somente em um dos lados.
Os isoladores são estruturas que estão em contato direto com a parte
energizada da rede elétrica. Desta forma, eles devem possuir características
construtivas que permitam a isolação da tensão dos seus terminais para o
Isoladores e muflas
restante da estrutura. Para isso, os isoladores devem ter sua estrutura
aterrada juntamente com o restante do circuito a fim de garantir, caso seja
necessário, o escoamento de uma possível corrente de fuga. O material com
que são fabricados garantem a sua aplicação correta, isso porque alguns
deles são mais isolantes do que outros, os quais são mais indicados para os
níveis de tensão mais altos. A seguir, veremos as características
construtivas, os princípios de funcionamento, as especificações técnicas e as
normas a serem seguidas dos isoladores.
Características construtivas
A construção dos isoladores está baseada em três tipos de materiais: a
cerâmica, o vidro e a fibra, sendo esta última um polímero. Desta forma, a
composição química de cada isolador está relacionada a sua capacidade de
isolação.
De acordo com Mamede Filho (2005), na cerâmica, os materiais que mais se
destacam são o quartzo, o feldspato, o caulim e a argila, com outros
elementos sendo misturados à composição a fim de garantir uma melhor
qualidade dielétrica e mecânica do isolador. Assim, é possível obter um
isolador mais resistente às altas temperaturas, com uma maior resistência
mecânica e uma menor rigidez dielétrica, ou, até mesmo, um isolador
resistente aos choques térmicos, mas com uma rigidez dielétrica muito
menor. Fatores como a umidade do ar, a temperatura e a espessura podem
influenciar na qualidade da cerâmica do isolador.
Segundo Mamede Filho (2005), o vidro apresenta um grande emprego no
mercado elétrico, podendo ser feito de vários materiais, tais como óxido de
silício, de boro e de sódio. Quando destinado à função elétrica, o vidro
apresenta boas condições mecânicas, elétricas e térmicas. Ele tem suas
características alteradas quando outras matérias-primas são adicionadas ao
conjunto. No entanto, é o tratamento térmico recebido que dita como serão
as suas características mecânicas, podendo ser utilizado um vidro recozido
ou um temperado, visto que cada um deles possui características e
aplicações específicas. A seguir, a Figura 4.5 ilustra dois exemplos de
isoladores muito utilizados em linhas de distribuição.
Figura 4.5: Isolador de roldana de vidro e porcelana
Fonte: Mamede Filho (2005, p. 751).
#PraCegoVer: a imagem mostra dois isoladores. À esquerda, tem-se um isolador
de roldana de vidro, o qual apresenta um formato cilíndrico no meio e achatado
nas pontas. Nele, estão indicados oberço do condutor e o orifício da haste de
sustentação, a qual está localizada no centro da parte superior da roldana. À
direita, tem-se uma roldana de porcelana de mesmo formato que a de vidro, a
qual apresenta também um orifício para a haste de sustentação, um berço do fio
de amarração, ou pré-formado, e o berço do condutor.
No caso dos isoladores de fibra, sua construção e aplicação são pensadas
para o uso interno, devido a sua fragilidade em receber raios UV, os quais
degradam as suas camadas de isolação, que são danificadas pelo
ressecamento. Desse modo, a rigidez dielétrica do material acaba
diminuindo. As fibras utilizadas são o epóxi e a fibra de vidro, as quais
garantem uma excelente propriedade mecânica e uma elevada rigidez
dielétrica.
Figura 4.6: Estrutura de apoio de uma rede de distribuição
Fonte: Mamede Filho (2005, p. 754).
#PraCegoVer: imagem apresenta um poste com a localização dos isoladores.
Nele, há duas cruzetas de madeira, uma superior e outra inferior. Na cruzeta
superior, encontram-se seis isoladores de pino 34,5 kV do tipo multicorpo. Na
inferior, há isoladores do tipo pino 15 kV do tipo monocorpo, com os cabos de
energia elétrica transpassando os isoladores.
Os isoladores de pino, mostrados na Figura 4.7, são muito utilizados em
redes de distribuição primária, tanto nas zonas rurais como nas urbanas de
média tensão. O isolador de pino monocorpo possui uma peça única, a qual
apresenta uma tensão máxima baixa se comparada com a de um multicorpo
que suporta uma tensão máxima de até 72 kV.
Figura 4.7: Estrutura de ancoragem com isoladores de vidro
Fonte: Mamede Filho (2005, p. 755).
#PraCegoVer: a imagem mostra um poste com rede elétrica passando pelos
isoladores de vidro, o qual possui três cruzetas, sendo que, em uma delas, há 4
isoladores de vidro. As cruzetas estão localizadas em posição superior,
intermediária e inferior. Para apoio das cruzetas, foram colocadas mãos-
francesas. Na imagem, há indicação da cruzeta de suporte e dos isoladores de
disco.
Os isoladores de disco, chamados também de isoladores de suspensão, são
bastante utilizados na rede elétrica, seja na zona rural ou urbana, podendo
ser fixados através de ancoragem e amarração em redes primárias. Nas
linhas de transmissão, eles são mais utilizados como suspensão devido ao
comprimento elevado dos cabos que fazem parte desse arranjo.
Princípios de funcionamento
O funcionamento do isolador é baseado nas propriedades dos materiais que
o compõem. Desta forma, durante a sua construção, leva-se em
consideração o ambiente ao qual estes serão submetidos. Por exemplo, em
locais nos quais há bastante corrosão do material devido aos poluentes
presentes na atmosfera, é necessário que o material dificulte a fuga da
corrente do isolador em direção à base na qual estará fixado.
Figura 4.8: Distribuição das tensões nas cadeias de isoladores
Fonte: Mamede Filho (2005, p. 758).
#PraCegoVer: a imagem mostra o desenho de um poste com a conexão de uma
cadeia de isoladores enumerados de 1 até 5, os quais estão dispostos de baixo
para cima. À esquerda, temos a presença de uma cruzeta. À direita, temos a
representação da capacitância gerada pelos isoladores, na qual cada capacitor
em série e paralelo representa a conexão entre os discos. Nela, há também
quatro capacitâncias paralelas e cinco em série.
De acordo com Mamede Filho (2005), é quando vamos realizar o
dimensionamento do número de isoladores que determinamos, em função da
tensão nominal dos sistemas nos quais o isolador será submetido, além da
carga mecânica exigida pelos cabos, os quais podem ficar suspensos, a
resistência mecânica necessária para suportar a suspensão.
Na Figura 4.8, temos a representação de seu funcionamento como um
dielétrico de disposição dos discos, no qual, quando os discos de isolação
estão em série, pode-se ver a capacitância de tais séries, sendo gerada uma
capacitância paralela entre cada disco. Esse número de capacitâncias
aumenta de acordo com a quantidade de isoladores.
Especificação técnica
As principais especificações técnicas dos isoladores estão descritas
brevemente a seguir. Elas dizem respeito à capacidade de resistir à tensão
em diversas situações de estresse e sob funcionamento contínuo, sendo tais
informações utilizadas no projeto e dimensionamento dos isoladores das
linhas de transmissão, de distribuição e subestações.
a) Distância de escoamento: é a distância mínima necessária para que não
seja criado um campo elétrico entre o ponto de fixação dos cabos, ou
terminais, e o ponto de fixação da estrutura do isolador. Deve-se garantir que
a tensão dos terminais não influencie na base do equipamento (MAMEDE
FILHO, 2005).
b)  Tensão de descarga a seco: corresponde ao limite de tensão que o
isolador deve suportar em condições de testes seco, conforme estabelecido
pela norma NBR 5389, a qual trata das técnicas de ensaios elétricos de alta
tensão (MAMEDE FILHO, 2005). Este elemento apresenta a tensão máxima
que o isolador poderá aguentar antes de perder suas propriedades isolantes.
c) Tensão de descarga sob chuva: semelhante à característica da tensão de
descarga a seco, corresponde ao limite de tensão que o isolador deve
suportar em condições de teste em um ambiente com umidade, conforme
estabelecido pela norma NBR 5389. Neste quesito, o isolador deve se manter
funcional em ambientes úmidos, principalmente aqueles que serão utilizados
ao ar livre (MAMEDE FILHO, 2005).
d) Tensão suportável, 1 min. a seco, à frequência industrial: este é o valor de
tensão ao qual o isolador deve ser submetido durante o teste, aplicando-se
uma tensão à frequência industrial, a qual pode ser de 50Hz ou 60Hz, a
depender de onde será feita a instalação do isolador (MAMEDE FILHO, 2005).
e)  Tensão crítica de descarga sob impulso de 1,2x50s: é aplicada em
laboratório para verificar a tensão superior em 1,2 a tensão nominal por um
breve período de tempo. Esta tensão simulada é realizada a fim de averiguar
as condições de suportabilidade caso haja um aumento de tensão por um
breve momento (MAMEDE FILHO, 2005).
f) Tensão de radiointerferência: neste teste, uma tensão é aplicada, 110% do
valor da nominal, por um período de 5 min., sendo esta reduzida em 30%.
Para essa especificação, os pontos de teste são a conexão entre fase e terra.
A radiofrequência produzida para os testes está em torno de 1 MHz até 10
MHz de frequência de rádio.
Essas características de tensão são descritas pelo fabricante no datasheet
do isolador. Elas garantem a sua funcionalidade em condições nominais,
bem como apresentam as suas principais especificações.
Normas recomendadas
Há diversas normas a serem seguidas em relação aos isoladores, as quais
vão depender do tipo de material utilizado em sua fabricação. Desse modo,
cada tipo de material, cerâmico, polimérico e de vidro, apresenta uma norma
diferente para a realização dos testes de especificação técnica, algumas
delas já foram citadas anteriormente, outras podem ser visualizadas a seguir.
As concessionárias de energia exigem que, quando forem construídas as
subestações, os isoladores devem respeitar as especificações técnicas
contidas nas normas, bem como estas podem exigir características
adicionais para determinado trecho da rede elétrica. É sempre aconselhável
que se consulte as normas técnicas adotadas por cada concessionária.
S A I B A M A I S
Além das de corrente, as subestações de consumidores exigem diversas
proteções quando o consumidor é autoprodutor de energia. Ter o conhecimento
sobre os relés de proteção, os quais permitem realizar tais ajustes, garante que
o(a) engenheiro(a) esteja preparado(a) para atuar no mercado. Toda
concessionária apresenta um manual para os projetos das subestações, o qual
deve ser seguido pelo projetista para a conexão à rede. No link a seguir, temos um
anexo fornecido ao projetista pela CPFL energia para o fornecimento de energia
em tensão primária.
Para saber mais sobreeste assunto, acesse o link a seguir: https://bit.ly/3wLPNhf
NBR 5472 - Isoladores para eletrotécnica: terminologia;
 
https://bit.ly/3wLPNhf
Existem ensaios que devem ser realizados nos isoladores durante a entrega
da usina e a sua manutenção, isso garante o pleno funcionamento da
segurança na subestação, sendo chamados de ensaios de rotina, os quais
verificam a qualidade e uniformidade dos isoladores. Os testes são a
inspeção visual, a tensão aplicada em alta frequência, a tensão aplicada em
frequência industrial, a tração mecânica e o choque térmico para alguns
isoladores.
Realizados os ensaios de rotina, temos os ensaios de recebimento, os quais
se assemelham, em muitos aspectos, aos de rotina, este é direcionado ao
cliente e ao fabricante para a análise das condições gerais dos isoladores.
Neste tipo de ensaio, além dos testes cobrados nos de rotina, temos os
testes de impacto, de ruptura eletromecânica, de perfuração e de
manutenção de carga.
REFLITA
Atualmente, transportamos grandes
quantidades de energia através das linhas de
transmissão de energia elétrica. No entanto,
para aumentar o fluxo de potência na
transmissão, é necessário aumentarmos os
valores de corrente e de tensão que são
transmitidos. A elevação da corrente iria nos
gerar muitos gastos, sendo preciso aumentar
cada vez mais a tensão. Agora, cabe à
Caso não passe em um dos ensaios, o isolador pode ser rejeitado para o
fabricante, desde que esses procedimentos tenham sido cumpridos de
acordo com a norma. O fabricante pode realizar os ensaios por até duas
vezes, mas, se, na segunda inspeção, o equipamento falhar, o lote de
isoladores será totalmente rejeitado.
Conforme os ensaios são realizados em laboratório, o isolamento desses
dispositivos pode ser classificado em: não-regenerativo, não possuindo a
capacidade de se regenerar após ocorrida alguma falha na rede elétrica; e
autorregenerativo, o qual possui a capacidade de se recuperar após uma
falha elétrica. E, em relação à mecânica, temos os isoladores de apoio, os
quais são vistos nos postes de distribuição; e os de suspensão, que estão
presentes nas linhas de transmissão.
A seguir, vejamos sobre os isoladores das subestações e suas
especificações técnicas.
Todas as especificações tratadas anteriormente são importantes para o
dimensionamento das cabines primárias, principalmente as blindadas, as
quais exigem precisão para a instalação dos dispositivos, sendo que, muitas
vezes, os isoladores fazem parte do próprio equipamento. Um bom exemplo
disso são os disjuntores que possuem isoladores nos terminais de conexão
com a alta tensão, além disso, também há outros equipamentos, como as
seccionadoras, os reguladores e os religadores.
engenharia de materiais buscar os componentes
que suportam altos níveis de tensão para o uso
nos isoladores a fim de garantirem um maior
fluxo de potência. Será que, para aumentar o
fluxo de potência, faz-se necessária somente a
pesquisa sobre os isoladores?
Conhecimento
Teste seus Conhecimentos
(Atividade não pontuada)
Os isoladores são equipamentos capazes de suportar as tensões elétricas e
as mecânicas, os quais devem permanecer expostos ao ar livre. Desta
forma, eles precisam ser constituídos por materiais que unam a rigidez
dielétrica e a resistência mecânica.
MAMEDE FILHO, J. Proteção de sistemas elétricos de potência. 1. ed. Rio
de Janeiro: LTC, 2005.
Com o conhecimento sobre os isoladores, os quais são de diversos tipos e
materiais, assinale a alternativa correta.
a) Os isoladores feitos de polímero são ideais para o ambiente
externo devido a sua alta proteção contra a radiação UV.
b) Todos os isoladores não possuem a capacidade de regeneração.
Assim, eles não se regeneram após sofrer um dano causado por uma
falha na rede.
c) Os isoladores de porcelana são influenciados durante sua
fabricação pela espessura do material em questão. Além disso, a
temperatura e a umidade do ar também determinam a sua rigidez
dielétrica.
d) A rigidez dielétrica e a impedância indutiva são quesitos
necessários no momento da alocação dos isoladores na rede elétrica.
e) O uso de isoladores de vidro não cria nenhum tipo de capacitância
no cabo, pois isso prejudicaria a transmissão de energia. Neste caso,
faz-se necessário o uso dos isoladores de fibra.
praticar
Vamos Praticar
Quando vamos realizar um estudo de proteção, é necessário que nos
atentemos às características da corrente dos transformadores, devendo
sempre setar as configurações no relé, de forma que o disjuntor não abra
ao atingir um certo valor de corrente Inrush. Geralmente, as
concessionárias fazem a correção desta corrente a fim de que esta seja
utilizada no estudo de proteção. Desta forma, considere 2 trafos de 550 kVA
e 1 de 30kVA, os quais possuem uma tensão de 11,9 kV e um valor de curto-
circuito trifásico de 2100.
Calcule o valor da corrente de Inrush corrigida, a qual deve ser ajustada no
relé de proteção.
Fórmulas:
praticar
= 10 ×      =Iinrush Intrafos Intrafos
( )/ ×       =∑ Strafos 3
–√ VL Iinrus corrigida 1/ ((1/ ) + (1/ ))Icc3f Iinrush
Vamos Praticar
Deseja-se dimensionar a quantidade de isoladores que devem ser utilizados
em uma linha de transmissão. Sabendo que a quantidade de isoladores é
baseada na tensão do sistema e no diâmetro de tais isoladores, determine a
quantidade necessária de isoladores de 254 mm para uma linha de
transmissão de 230 kV e 72 kV, utilizando a fórmula abaixo.
= 0, 0666 × V ffNI
Material
Complementar
LIVRO
Ciência dos materiais
Autor: James Shackelford
Editora: Pearson
Capítulos: 1 e 15
Ano: 2008
ISBN: 9788576051602
Comentário: O capítulo 1 trata dos materiais utilizados na
engenharia, sendo a cerâmica, o polímero e o vidro citados,
visto que estes são os principais componentes para a
produção dos isoladores. Já o capítulo 15 aborda as
características e os comportamentos elétricos dos
materiais. Dentre eles, estão os isoladores, sendo esta
uma boa oportunidade para se conhecer o comportamento
molecular deste tipo de material.
Disponível em: Biblioteca Virtual.
WEB
Relé Vamp V11: proteção para cabines
primárias
Ano: 2016
Comentário: Neste vídeo, é mostrado um relé de proteção
em média tensão para as cabines primárias. Além disso,
são mostradas as principais funções deste, bem como as
suas curvas de acordo com as respectivas normas. Este
tipo de relé é muito utilizado em subestações de
consumidores, pois, nas subestações das
concessionárias, são usados relés mais sofisticados, os
quais podem operar juntamente com um sistema SCADA.
Para conhecer mais sobre o assunto, acesse:
ACESSAR
https://www.youtube.com/watch?v=ozTn7aDBTXk
Conclusão
Neste material, vimos que a proteção é um elemento fundamental no momento da
realização do projeto de uma subestação, sendo o relé de proteção o responsável
por este trabalho. Dito isso, o seu correto dimensionamento é uma exigência da
concessionária, a qual deve aprovar os estudos de coordenação e seletividade que
são realizados pelo(a) engenheiro(a) responsável pela subestação em questão. Os
relés de ação direta, que são instalados diretamente na rede sem a utilização de
instrumentos de medição, são considerados mais antigos, tais como os
eletromecânicos. Atualmente, exige-se mais os relés digitais devido à sua alta
sensibilidade em perceber os defeitos transitórios e os permanentes. Além disso,
este tipo de relé pode realizar um monitoramento em tempo real das condições da
rede. Ademais dos citados, existem muitos outros tipos relés de proteção, cada
um deles exercendo a sua respectiva função e sendo responsável por resolver
determinado tipo de problema.
Também estudamos sobre o isolador, o qual, dentre todos os dispositivos já
tratados, é um dos mais simples, estando a maior parte de sua construção e de
seu funcionamento correlacionadas ao tipo de material utilizado em sua
fabricação. No final deste material, podemos dizer que foi possível expandir os
nossos conhecimentosa respeito dos componentes do sistema elétrico de
potência.
Referên
cias
ABNT - ASSOCIAÇÃO
BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS. NBR 5389 –
Técnicas de ensaios
elétricos de alta tensão. Rio
de Janeiro: ABNT, 1992.
ABNT - ASSOCIAÇÃO
BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS. NBR 5456 –
Eletricidade geral -
Terminologia. Rio de
Janeiro: ABNT, 2010.
ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5464 –
Eletrotécnica e eletrônica - Interferências eletromagnéticas. Rio de Janeiro: ABNT,
2010.
ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5472 –
Isoladores para eletrotécnica: terminologia. Rio de Janeiro: ABNT, 2012.
ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 16081 – Isolador
de porcelana ou vidro para tensões acima de 1 000 V em corrente contínua —
Especificação, método de ensaio e critério de aceitação. Rio de Janeiro: ABNT,
2012.
ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 16327 – Isolador
polimérico. Rio de Janeiro: ABNT, 2022.
ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR IEC 60050-446 –
Vocabulário Eletrotécnico Internacional - Parte 446: relés elétricos. Rio de Janeiro:
ABNT, 2005.
COTRIM, A. Instalações elétricas. 5. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009.
FORNECIMENTO em tensão primária 15kV, 25kV e 34,5kV. CPFL, [2022]. Disponível
em: http://sites.cpfl.com.br/documentos-tecnicos/GED-2855.pdf. Acesso em: 18
maio 2022.
MAMEDE FILHO, J. Manual de equipamentos elétricos. 3. ed. Rio de Janeiro: LTC,
2005.
MAMEDE FILHO, J. Proteção de sistemas elétricos de potência. 1. ed. Rio de
Janeiro: LTC, 2013.
RELÉ VAMP V11: proteção para cabines primárias. [S. l.: s. n.], 2016. 1 vídeo (10
min.). Publicado pelo canal Schneider Electric. Disponível em:
https://www.youtube.com/watch?v=ozTn7aDBTXk. Acesso em: 18 maio 2022.
SHACKELFORD, J. Ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson, 2008.
http://sites.cpfl.com.br/documentos-tecnicos/GED-2855.pdf
https://www.youtube.com/watch?v=ozTn7aDBTXk