Sobretensões e Aterramento

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APOSTILA DE REVISÃO TÉCNICA
Subestações
Sistemas, equipamentos, proteção e projeto
Tema 3
Sobretensões, Aterramento e Arranjos de Bar-
ramentos
Proteção contra fenômenos transitórios, tensões perigosas e indisponibilidade
Pergunta-guia
Como limitar sobretensões, conduzir correntes de falta ao solo e manter circuitos disponíveis durante falhas ou
manutenção?
Ao final, você deverá ser capaz de
Analisar origens de sobretensão, seletividade, malhas de terra e topologias de barramento com seus compromissos de
custo e confiabilidade.
Engenharia Elétrica — material construído a partir do conteúdo da disciplina e complementado para estudo.
Engenharia Elétrica — Subestações Tema 3 — Sobretensões, terra e barramentos
Mapa do tema
Evento elétrico Proteção seletiva Aterramento seguro Arranjo confiável
Módulo
Conteúdo Competência
1
sobretensões atmosféricas, de manobra
e de falta; seletividade; aterramento e
medição
controlar solicitações dielétricas e tensões de toque/passo.
2
barras simples, duplas, transferência,
disjuntor e meio e anéis
comparar continuidade, proteção, manobras, espaço e custo.
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Engenharia Elétrica — Subestações Tema 3 — Sobretensões, terra e barramentos
MÓDULO 1
Sobretensões, coordenação, seletividade e aterramento
Questão central
Como uma perturbação rápida ou uma falta se transforma em solicitação dielétrica e risco para
pessoas?
Resultado esperado
Identificar o fenômeno, coordenar proteção e avaliar resistência de terra, tensão de toque e
tensão de passo.
1. Visão geral
Sobretensão é uma elevação de tensão acima do regime normal, com amplitude e duração que dependem da origem.
Descargas atmosféricas produzem frentes muito rápidas; manobras e ressonâncias produzem transitórios de outra escala;
uma falta monofásica pode elevar temporariamente as tensões das fases sãs em relação à terra. Coordenação de isolamento
e proteção limita essas solicitações. O aterramento fornece referência e caminho para correntes, mas deve controlar os
potenciais na superfície do solo.
2. Conceitos fundamentais
Sobretensão atmosférica
Definição técnica: Impulso originado por descarga direta ou por acoplamento eletromagnético/eletrostático.
Em termos simples: É muito rápida e pode viajar pelas linhas, refletindo nas mudanças de impedância.
Sobretensão de manobra
Definição técnica: Transitório causado por energização, abertura, religamento ou chaveamento de elementos reativos.
Em termos simples: Abrir indutores, energizar transformadores/linhas e manobrar bancos altera bruscamente a energia
armazenada.
Proteção primária e retaguarda
Definição técnica: A primária elimina seletivamente a falta na zona protegida; a retaguarda atua se a proteção/dis-
juntor principal falhar.
Em termos simples: Primeiro deve abrir o equipamento mais próximo; se não abrir, outro dispositivo remove uma
área maior.
Tensão de toque e de passo
Definição técnica: Toque é a diferença entre estrutura tocada e ponto dos pés; passo é a diferença entre dois pontos
do solo separados tipicamente por 1 m.
Em termos simples: Mesmo uma malha com baixa resistência pode ser perigosa se o gradiente de potencial for
elevado.
3. Funcionamento
Uma onda viajante de origem atmosférica se propaga em ambos os sentidos a partir do ponto de impacto ou indução. Iso-
ladores podem sofrer descarga disruptiva quando o impulso supera sua suportabilidade. Em descontinuidades de impedância,
ocorre reflexão de parte da onda. Para-raios limitam a crista desviando corrente à malha.
Em manobras, a energia de indutores e capacitores precisa ser redistribuída; entrada ou saída de banco de capacitores,
reatores, reignições, corrente de magnetização e carga residual podem ampliar o transitório. Na proteção, relés medem
grandezas, identificam zona/direção e comandam disjuntores. Temporizações e curvas coordenadas preservam seletividade.
Na falta à terra, a corrente entra na malha e eleva seu potencial em relação ao terra remoto. Condutores e hastes distribuem
a corrente; camada superficial de brita aumenta a resistência do contato pé–solo e reduz a corrente pelo corpo.
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Engenharia Elétrica — Subestações Tema 3 — Sobretensões, terra e barramentos
4. Equações e relações matemáticas
Elevação do potencial da malha
GPR ≈ IGRG
IG é a parcela da corrente de falta que entra na malha e RG a resistência de aterramento. GPR alto não implica
automaticamente toque inseguro; é preciso calcular a distribuição dos potenciais e os limites toleráveis.
Resistividade pelo arranjo de Wenner
Para quatro eletrodos igualmente espaçados, profundidade pequena em relação a a:
ρ ≈ 2πaR
ρ em Ω·m, a em m e R = V /I em Ω. Vários espaçamentos investigam diferentes profundidades aparentes e permitem
modelar camadas do solo.
Eletrodo vertical isolado — aproximação
Rh ≈ ρ
2πL
[
ln
(
4L
d
)
− 1
]
L é comprimento e d diâmetro. Hastes próximas não somam condutância idealmente porque suas regiões de dispersão
se sobrepõem.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
Elemento/método Função Cuidado
Malha de cobre nu equipotencializar e dispersar
corrente
dimensionar térmica/mecanicamente e contra corrosão.
Haste cobreada aumentar contato com ca-
madas profundas
espaçamento e resistividade condicionam ganho.
Solda exotérmica conexão molecular permanente molde, limpeza e execução controlada.
Conexão por com-
pressão
união mecânica especificada ferramenta, matriz e material compatíveis.
Queda de poten-
cial
medir resistência com eletrodos
auxiliares
buscar patamar e afastamento suficiente.
Alicate terrômetro medir laço sem desconexão exige caminho paralelo fechado; não serve para todo sistema.
A conexão por compressão exige conector, matriz e ferramenta compatíveis; a solda exotérmica produz união permanente
e deve seguir procedimento próprio de execução.
6. Aplicação prática
Problema: relé de alimentador não atua e a falta persiste. Solução: proteção de retaguarda temporizada abre o disjuntor
a montante. Funcionamento: a coordenação dá tempo à proteção primária; expirado o atraso, remove-se uma zona maior.
Resultado: o defeito é eliminado, porém com maior perda de carga, mostrando por que a retaguarda é necessária e menos
seletiva.
7. Exemplo de engenharia
Uma malha apresenta RG = 0,8Ω e recebe IG = 5 kA. A elevação aproximada é:
GPR = 5000(0,8) = 4 kV.
Não se conclui segurança apenas porque RGa ondas viajantes, coordenação de isolamento, relés, curto-circuito, SPDA, segurança humana, compatibilidade
eletromagnética e proteção de telecomunicações.
10. Complementos técnicos
Complemento técnico
Método da queda de potencial. Injeta-se corrente entre a malha e um eletrodo remoto e mede-se a tensão por uma
sonda móvel. A resistência é V /I. O resultado confiável aparece em uma região de patamar; usar apenas o ponto de
62% sem verificar geometria e patamar pode produzir erro em malhas grandes ou solos estratificados.
11. Para memorizar
Para memorizar
• Atmosférica: frente rápida; manobra: chaveamento/energia armazenada; temporária: duração maior.
• Proteção primária atua na própria zona; retaguarda atua se a primeira falhar.
• GPR ≈ IGRG; segurança depende de toque, passo e duração.
• Wenner: ρ ≈ 2πaR na condição simplificada.
• Norma citada corretamente: ABNT NBR 15749:2009, confirmar vigência.
12. Resumo final do módulo
Revisão de 60 segundos
Sobretensões diferem por origem, amplitude, frente e duração. A proteção deve coordenar isolamento, para-raios, relés
e disjuntores. O aterramento conduz corrente e equipotencializa, mas sua finalidade de segurança só é comprovada
pela análise de potenciais de toque e passo. Medições exigem método, patamar, segurança e interpretação do sistema
completo.
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Engenharia Elétrica — Subestações Tema 3 — Sobretensões, terra e barramentos
MÓDULO 2
Arranjos de barramentos em subestações
Questão central
Como a topologia das barras altera a continuidade, as manobras e a quantidade de equipamen-
tos?
Resultado esperado
Comparar arranjos e prever o efeito de faltas ou manutenção em barras, disjuntores e circuitos.
1. Visão geral
Barramento é o nó condutor comum ao qual se conectam linhas, transformadores e alimentadores. O arranjo define caminhos
possíveis, zonas de proteção, procedimentos de transferência e impacto de uma falha. Quanto maior a flexibilidade e
redundância, maior tende a ser o número de disjuntores, seccionadoras, TCs, área e complexidade de proteção/controle.
2. Conceitos fundamentais
Confiabilidade
Definição técnica: Probabilidade de a função ser desempenhada durante o período considerado.
Em termos simples: Arranjo confiável evita que uma única falha desligue muitos circuitos.
Flexibilidade operativa
Definição técnica: Capacidade de reconfigurar a instalação para manutenção, contingência ou expansão.
Em termos simples: Permite transferir circuitos e isolar equipamentos com menor interrupção.
By-pass/transferência
Definição técnica: Caminho alternativo que contorna temporariamente um disjuntor ou barra.
Em termos simples: Mantém carga, mas pode alterar ou limitar a proteção durante a condição excepcional.
Zona de proteção de barra
Definição técnica: Conjunto delimitado por TCs e disjuntores que deve ser isolado em uma falta interna.
Em termos simples: A posição dos TCs e disjuntores determina o que será desligado pela proteção diferencial de
barras.
3. Funcionamento
barra simples
B1
B2
baixo custo; falha de barra
tem grande impacto
barra dupla; seleção de barra
e maior flexibilidade
Na barra principal e transferência, um disjuntor de transferência assume temporariamente a proteção do circuito cujo
disjuntor está em manutenção. No disjuntor e meio, três disjuntores atendem dois circuitos entre duas barras; cada circuito
compartilha o disjuntor central. No anel, circuitos são conectados entre disjuntores sucessivos e podem receber energia por
dois lados.
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4. Equações e relações matemáticas
Índice simples de equipamentos por circuito
kD =
Ndisjuntores
Ncircuitos
Barra simples tende a kD ≈ 1; barra dupla com dois disjuntores, kD = 2; disjuntor e meio, kD = 1,5 em blocos
completos; anel pode aproximar 1 conforme a expansão. O índice não mede sozinho confiabilidade.
Indisponibilidade aproximada de componentes em série
Para eventos independentes e pequenas indisponibilidades:
Usistema ≈
∑
i
Ui
Arranjos com caminhos paralelos reduzem o impacto de uma única indisponibilidade, mas falhas de modo comum,
proteção e manutenção precisam ser modeladas.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
Arranjo Disjuntores/circuito Vantagem Limitação principal
Barra simples 1 baixo custo e simplicidade falta/manutenção da barra interrompe muitos circuitos.
Simples seccionada ∼ 1 limita alcance de falha de barra acoplamento e operação mais complexos.
Principal + transferência ∼ 1 + comum manutenção de disjuntor com carga proteção fica compartilhada/limitada na transferência.
Dupla, um disjuntor 1 seleção e manutenção de barras disjuntor do circuito continua ponto único.
Dupla, dois disjuntores 2 máxima flexibilidade e redundância custo, área e proteção elevados.
Disjuntor e meio 1,5 alta confiabilidade com economia
relativa
lógica, TCs e religamento mais complexos.
Anel ∼ 1 dois caminhos e boa relação custo/-
confiabilidade
expansão e manutenção alteram zonas e fluxo.
O material também apresenta o barramento duplo com disjuntor a três chaves, a quatro chaves e a cinco chaves, barras
seccionadas, disjuntor e um terço, barramento em anel simples e anel múltiplo. São evoluções que acrescentam caminhos
de by-pass, seccionamento ou compartilhamento de disjuntores.
6. Aplicação prática
Problema: retirar um disjuntor de linha para manutenção sem desligar o circuito. Solução: usar arranjo com
transferência/by-pass previsto. Funcionamento: equalizam-se barras, fecha-se o caminho alternativo na sequência
autorizada, transfere-se a proteção e isola-se o disjuntor. Resultado: carga mantida, mas com configuração temporária
documentada e proteção coerente.
7. Exemplo de engenharia
Uma SE possui quatro linhas críticas. Barra dupla com dois disjuntores requer oito disjuntores; disjuntor e meio, organizado
em dois diâmetros, requer seis. O segundo reduz 25% dos disjuntores mantendo alta flexibilidade, mas exige lógica de
proteção por circuito envolvendo dois disjuntores e atenção ao disjuntor central compartilhado.
8. Pontos críticos e cuidados
• Seccionadora não deve estabelecer paralelo entre barras fora de sincronismo nem interromper carga indevidamente.
• Transferência de proteção deve ocorrer antes de retirar o disjuntor principal.
• Posição de TC determina a zona morta e o alcance da proteção diferencial.
• Um arranjo bom no unifilar pode ser inviável por espaço, curto-circuito, expansão ou filosofia de operação.
• Manobras precisam de sequência, intertravamento, supervisão de sincronismo e confirmação de estados.
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9. Relação com outros assuntos
Relaciona-se a proteção diferencial de barras, falha de disjuntor, religamento, fluxo de potência, confiabilidade, automação,
layout físico e expansão de subestações.
10. Complementos técnicos
Complemento técnico
Critério N–1. Uma concepção robusta busca suportar a indisponibilidade de um componente relevante sem perda
inaceitável de carga ou violação de limites. Isso não significa que qualquer arranjo atenda automaticamente ao N–1;
é necessário simular cada contingência, inclusive durante manutenção.
11. Para memorizar
Para memorizar
• Barra simples: menor custo e menor flexibilidade.
• Principal + transferência: mantém circuito durante manutenção, com proteção temporariamente compartilhada.
• Barra dupla com dois disjuntores: alta confiabilidade e alto custo.
• Disjuntor e meio: três disjuntores para dois circuitos, comum em EAT.
• Anel: alimentação por dois lados; abertura transforma o anel e altera a proteção.
12. Resumo final do módulo
Revisão de 60 segundos
O arranjo de barramentos determina como faltas e manutenções afetam a subestação. Redundância aumenta
continuidade, mas também equipamentos, área e complexidade. Barra simples prioriza economia; barra dupla, anel e
disjuntor e meio elevam flexibilidade. A escolha deve ser validada por contingências, proteção, manobras e expansão.
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EngenhariaElétrica — Subestações Tema 3 — Sobretensões, terra e barramentos
Fechamento do Tema 3
Pergunta de engenharia
Verificação essencial
O isolamento sobre-
viverá?
impulso, manobra, tensão temporária e margem para o para-raios.
A falta será seletiva?
zonas, curvas, tempo do disjuntor e retaguarda.
O aterramento é seguro?
IG, GPR, toque, passo, duração e camada superficial.
A SE continua operando?
falhas de barra/disjuntor, manutenção e caminhos alternativos.
A manobra é segura?
sincronismo, intertravamentos, proteção transferida e estados confirmados.
Matriz de cobertura do material-base
Mód.
Conteúdo original Onde foi incorporado
1
sobretensões atmosféricas diretas/induzidas, ondas e re-
flexão
conceitos, funcionamento e equações.
1
chaveamentos, capacitores, reatores, transformadores,
ressonância
visão geral, funcionamento e cuidados.
1
proteção primária/retaguarda e seletividade conceitos, aplicação e memorização.
1
materiais, conexões, resistência, toque/passo e medição componentes, exemplo, complemento e observação
técnica.
2
barra simples, seccionada e by-pass tabela comparativa e funcionamento.
2
barra dupla, transferência e variantes de três a cinco
chaves
componentes, aplicação e síntese.
2
dois disjuntores, disjuntor e meio/um terço e anéis comparação, equação, exemplo e memorização.
Referências do material-base e complementos
ABNT NBR 15749:2009. Medição de resistência de aterramento e de potenciais na superfície do solo em sistemas de
aterramento. Confirmar vigência.
ABNT NBR 5419. Proteção contra descargas atmosféricas. Consultar partes e edições vigentes.
IEEE Std 80. Guide for Safety in AC Substation Grounding.
KINDERMANN, G. Proteção de sistemas elétricos de potência.
MAMEDE FILHO, J. Manual de equipamentos elétricos. LTC.
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	Mapa do tema
	1. Visão geral
	2. Conceitos fundamentais
	3. Funcionamento
	4. Equações e relações matemáticas
	5. Componentes, elementos ou equipamentos
	6. Aplicação prática
	7. Exemplo de engenharia
	8. Pontos críticos e cuidados
	9. Relação com outros assuntos
	10. Complementos técnicos
	11. Para memorizar
	12. Resumo final do módulo
	1. Visão geral
	2. Conceitos fundamentais
	3. Funcionamento
	4. Equações e relações matemáticas
	5. Componentes, elementos ou equipamentos
	6. Aplicação prática
	7. Exemplo de engenharia
	8. Pontos críticos e cuidados
	9. Relação com outros assuntos
	10. Complementos técnicos
	11. Para memorizar
	12. Resumo final do módulo
	Fechamento do Tema 3