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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.
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
Relés de proteção
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 móvel parao 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.
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.
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.
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
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
Isoladores e muflas
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 o berçodo 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 sobre este 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 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?
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.
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
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.
= 10 ×      =Iinrush Intrafos Intrafos
( )/ ×       =∑ Strafos 3
–√ VL Iinrus corrigida 1/ ((1/ ) + (1/ ))Icc3f Iinrush
= 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
conhecimentos a respeito dos componentesdo sistema elétrico de potência.
Referênc
ias
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.
http://sites.cpfl.com.br/documentos-tecnicos/GED-2855.pdf
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.
https://www.youtube.com/watch?v=ozTn7aDBTXk