Equipamentos em Subestações

Prévia do material em texto

APOSTILA DE REVISÃO TÉCNICA
Subestações
Sistemas, equipamentos, proteção e projeto
Tema 2
Equipamentos em Subestações e Classificação
por Funções
Da entrada de energia à interrupção, transformação e isolamento
Pergunta-guia
Como cada equipamento conduz, isola, protege, interrompe ou transforma a energia dentro da subestação?
Ao final, você deverá ser capaz de
Reconhecer os equipamentos, explicar seus princípios de funcionamento, comparar tecnologias e selecionar caracterís-
ticas essenciais para projeto, operação e manutenção.
Engenharia Elétrica — material construído a partir do conteúdo da disciplina e complementado para estudo.
Engenharia Elétrica — Subestações Tema 2 — Equipamentos de subestações
Mapa do tema
Módulo
Conteúdo Resultado prático
1
ramais, cabos de MT/AT, muflas, pro-
teção atmosférica, para-raios e fusíveis
compreender a entrada da subestação e a primeira barreira
contra surtos/faltas.
2
disjuntores, seccionadoras, transfor-
madores, óleo, buchas e isoladores
diferenciar manobra, seccionamento, transformação e técnicas
de extinção do arco.
Conduzir Isolar Proteger Interromper/transformar
2 / 10
Engenharia Elétrica — Subestações Tema 2 — Equipamentos de subestações
MÓDULO 1
Equipamentos e proteção na entrada da subestação
Questão central
Como a energia chega à instalação e como surtos e faltas são limitados antes de atingir os
equipamentos principais?
Resultado esperado
Distinguir ramal aéreo/subterrâneo, interpretar um cabo de MT, aplicar terminação, SPDA,
para-raios e chave fusível.
1. Visão geral
O ramal de ligação conecta o ponto de entrega da distribuidora à entrada da subestação. Sua solução pode ser aérea ou
subterrânea e deve preservar capacidade de corrente, isolamento, resistência mecânica e segurança. Na terminação dos
cabos, muflas controlam o campo elétrico. Na proteção, o SPDA intercepta descargas diretas, o para-raios limita surtos
que chegam pelos condutores e a chave fusível interrompe sobrecorrentes em aplicações permitidas.
2. Conceitos fundamentais
Ramal aéreo e subterrâneo
Definição técnica: O aéreo usa condutores nus ou cobertos suspensos; o subterrâneo usa cabos isolados em dutos,
galerias ou diretamente enterrados conforme projeto.
Em termos simples: O aéreo é mais acessível e econômico; o subterrâneo reduz exposição e impacto visual, mas
custa mais e exige cuidado térmico e com terminações.
Blindagem do cabo
Definição técnica: Camadas semicondutoras uniformizam o campo; a blindagem metálica conduz correntes capacitivas
e de falta à terra.
Em termos simples: Sem controle de campo, a extremidade cortada concentraria tensão e poderia iniciar descarga
parcial ou ruptura.
Mufla/terminação
Definição técnica: Conjunto que recompõe isolamento, alivia o campo elétrico e permite conexão do condutor.
Em termos simples: É a transição segura entre o cabo blindado e um terminal exposto ou equipamento.
Coordenação de proteção contra surtos
Definição técnica: Associação de captação, descida, aterramento e dispositivos limitadores com níveis compatíveis à
suportabilidade dos equipamentos.
Em termos simples: Nenhum dispositivo isolado resolve todos os caminhos de uma descarga atmosférica.
3. Funcionamento
Cabo de MT típico, do centro para fora:
1. condutor de cobre ou alumínio;
2. blindagem do condutor, formada por camada semicondutora que uniformiza o campo;
3. isolação principal em XLPE, EPR ou outro material especificado;
4. blindagem semicondutora da isolação;
5. blindagem metálica e elementos de separação/bloqueio;
6. cobertura externa de proteção mecânica e ambiental.
Na extremidade, a terminação remove camadas em comprimentos controlados, conecta a blindagem ao aterramento e
utiliza material de controle de campo. O para-raios de óxido metálico apresenta resistência fortemente não linear: quase
não conduz na tensão normal e desvia corrente ao aterramento durante o surto, limitando a tensão residual. A chave fusível
funde o elo e utiliza gases desionizantes do cartucho para interromper o arco.
3 / 10
Engenharia Elétrica — Subestações Tema 2 — Equipamentos de subestações
Descargas atmosféricas diretas devem ser interceptadas pelo sistema de captação; descargas atmosféricas indiretas e impactos
na linha podem produzir surtos conduzidos até a subestação. Cabos de guarda, mastros, aterramento e para-raios formam
barreiras complementares.
Rede MT Para-raios
à terra
Chave
fusível
Mufla e
cabo MT
Transformador
4. Equações e relações matemáticas
Onda viajante e impedância de surto
Para uma linha ideal distribuída:
Zc =
√
L′
C ′ , v =
1√
L′C ′
, V + = ZcI
+
L′ em H/m, C ′ em F/m, Zc em Ω e v em m/s. Mudanças de Zc produzem reflexão e transmissão da onda.
Coeficiente de reflexão de tensão
ΓV =
Z2 − Z1
Z2 + Z1
, Vr = ΓV Vi
Uma terminação aberta tende a ΓV = +1; um curto tende a −1. Em subestações, cabos, linhas, transformadores e
barramentos apresentam descontinuidades relevantes para surtos.
Relação de rapidez do elo fusível
Rr =
If, rpida
If, lenta
O material-base relaciona a classificação H, K e T às curvas tempo–corrente. Na prática, a seleção deve ser feita pela
curva do fabricante, corrente de carga, inrush, curto mínimo/máximo e coordenação com proteções adjacentes.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
Elemento Função Limitação/cuidado
Condutor de
guarda
interceptar descargas em in-
stalações externas
depende do ângulo/volume de proteção e bom aterramento.
Mastro/captor captar descarga direta e
conduzi-la ao solo
não substitui equipotencialização nem proteção interna.
Para-raios ZnO limitar sobretensão tran-
sitória
exige conexão curta à terra e tensão contínua compatível.
Chave fusível seccionar visualmente e inter-
romper falta pelo elo
monofásica; pode causar operação não simultânea das fases.
Mufla terminar cabo e controlar
campo
montagem inadequada causa descarga parcial e falha prematura.
Tipos de elos H, K e T citados no material: H — maior suportabilidade a surtos/inrush; K — atuação rápida; T —
atuação lenta para coordenação de alimentadores. Não selecionar apenas pela letra: usar as curvas tempo–corrente e o
padrão da distribuidora.
6. Aplicação prática
Problema: instalar um ramal subterrâneo de 13,8 kV até uma subestação abrigada. Solução: cabo com isolação e
blindagens adequadas, terminações compatíveis, blindagem aterrada segundo o projeto e para-raios próximo ao equipamento
4 / 10
Engenharia Elétrica — Subestações Tema 2 — Equipamentos de subestações
protegido. Funcionamento: o cabo contém o campo; a mufla suaviza sua transição; o para-raios limita o surto. Resultado:
conexão dielétrica e termicamente segura.
7. Exemplo de engenharia
Um transformador de 300 kVA, 13,8 kV, possui corrente nominal primária:
I1 =
300 000√
3(13 800)
= 12,55A.
Esse valor não é automaticamente a corrente do elo. O engenheiro sobrepõe a curva do fusível à corrente de energização, à
capacidade térmica do transformador e às correntes de curto, buscando que o elo suporte inrush, elimine faltas e coordene
com a proteção a montante/jusante.
8. Pontos críticos e cuidados
• Para-raios de linha limita surto conduzido; não deve ser tratado como captor de descarga direta.
• Conexões longas entre para-raios e terra acrescentam Ldi/dt e elevam a tensão no equipamento.
• Blindagem metálica exige estudo de aterramento em uma ou ambas as extremidades, correntes induzidas e tensão de
capa.
• Cabo subterrâneo dissipa menos calor; ampacidade depende do solo, dutos, agrupamento e regime.
• Operação de chave fusível envolve arco, projeção e risco de energização monofásica; seguir procedimento e ferramenta
adequados.
9. Relação com outros assuntos
Relaciona-se a coordenação de isolamento, propagação de ondas, SPDA, aterramento, proteção de transformadores, am-
pacidade e descargas parciais.
10. Complementos técnicos
Complemento técnico
Forma de impulso. Ensaios de impulso atmosférico são normalmente associados à onda normalizada de frente rápida,
frequentemente indicada como 1,2/50µs. O valor de crista e o nívelde proteção do para-raios devem manter margem
em relação à tensão suportável de impulso do equipamento.
11. Para memorizar
Para memorizar
• Cabo MT: condutor, semicondutora interna, isolação, semicondutora externa, blindagem metálica e cobertura.
• Mufla termina o cabo e controla o campo elétrico.
• SPDA trata descarga direta; para-raios ZnO limita surto conduzido.
• Conexão do para-raios à terra deve ser curta e de baixa indutância.
• Fusível é selecionado por curva, carga, inrush, curto e coordenação.
12. Resumo final do módulo
Revisão de 60 segundos
A entrada da subestação combina condução, isolamento e proteção. Cabos de MT utilizam blindagens para controlar
o campo; terminações recompõem a transição dielétrica. SPDA, aterramento e para-raios desempenham papéis
diferentes e complementares. A chave fusível é simples e econômica, mas sua seleção depende das curvas e da
5 / 10
Engenharia Elétrica — Subestações Tema 2 — Equipamentos de subestações
coordenação, não apenas da corrente nominal.
6 / 10
Engenharia Elétrica — Subestações Tema 2 — Equipamentos de subestações
MÓDULO 2
Disjuntores, seccionadoras, transformadores e isolação
Questão central
Como interromper correntes elevadas, isolar equipamentos e transformar tensão com segurança?
Resultado esperado
Comparar meios de extinção do arco, diferenciar disjuntor e seccionadora e interpretar os ele-
mentos construtivos do transformador.
1. Visão geral
O disjuntor estabelece e interrompe correntes normais e, dentro de sua capacidade, correntes de curto-circuito. A sec-
cionadora proporciona isolamento e reconfiguração, mas normalmente não interrompe corrente de carga ou falta. O trans-
formador transfere potência entre níveis de tensão por indução; buchas e isoladores mantêm partes energizadas separadas
da carcaça e da terra.
2. Conceitos fundamentais
Arco elétrico
Definição técnica: Descarga sustentada em meio ionizado entre contatos que se afastam.
Em termos simples: Mesmo após separar os contatos, a corrente tenta continuar pelo plasma; o disjuntor deve resfriar
e desionizar o caminho.
Capacidade de interrupção
Definição técnica: Maior corrente de curto que o disjuntor consegue interromper nas condições especificadas.
Em termos simples: Corrente nominal define condução contínua; capacidade de interrupção define enfrentamento da
falta.
Seccionamento
Definição técnica: Criação de uma condição de isolamento conforme a função e o projeto do equipamento.
Em termos simples: Serve para manutenção e segurança; não é sinônimo de proteção automática.
Óleo isolante
Definição técnica: Fluido dielétrico e térmico que isola e transporta calor.
Em termos simples: Sua condição revela envelhecimento, água, gases e contaminação do transformador.
3. Funcionamento
Em CA, a corrente cruza naturalmente o zero a cada semiciclo. O disjuntor separa contatos e força o meio entre eles a
recuperar rigidez dielétrica mais rapidamente do que a tensão transitória de restabelecimento cresce. O mecanismo de mola,
hidráulico ou pneumático fornece velocidade e energia; bobinas de abertura/fechamento recebem comandos da proteção ou
operação.
No transformador, o fluxo alternado do núcleo concatena primário e secundário. Perdas no cobre aquecem enrolamentos;
perdas no núcleo aquecem o circuito magnético. Óleo/ar e radiadores removem calor. Buchas atravessam o tanque sem
permitir descarga para a carcaça. Tap changer ajusta a relação de espiras; pode ser desenergizado ou sob carga.
4. Equações e relações matemáticas
Corrente nominal e corrente de curto
IN =
SN√
3VN
, Icc ≈
IN
Zpu
SN em VA, VN em V e Zpu impedância por unidade do transformador, quando a rede a montante é considerada forte.
A capacidade do disjuntor deve superar a corrente de curto calculada e atender à tensão e ao ciclo de operação.
7 / 10
Engenharia Elétrica — Subestações Tema 2 — Equipamentos de subestações
Energia térmica passante
WR =
∫ t
0
i2(t)Rdt
O termo I2t é usado para comparar solicitação térmica e suportabilidade de condutores/equipamentos durante faltas,
observadas as hipóteses do fabricante e da norma.
Exemplo resolvido — curto nos terminais de um transformador
Transformador de 1MVA, 13,8/0,38 kV, Z = 6%. No secundário:
IN =
106√
3(380)
= 1519A, Icc ≈
1519
0,06
= 25,3 kA.
É uma aproximação. Cabos, rede, motores e assimetria alteram o valor; o disjuntor de BT deve possuir capacidade
de interrupção compatível.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
Disjuntor Princípio Características principais
PVO/GVO óleo resfria e desioniza o arco tecnologia tradicional; exige controle/substituição do óleo e risco de in-
cêndio.
Ar comprimido jato alonga e resfria o arco rápido, ruidoso, necessita sistema pneumático seco.
Sopro magnético campo desloca o arco para câ-
mara divisora
tecnologia antiga; encontrada em instalações existentes.
Vácuo interrupção em ampola de baixa
pressão
alta vida mecânica, pouca manutenção, muito aplicado em MT.
SF6 gás eletronegativo recupera
rigidez dielétrica
compacto e eficaz em AT/EAT; requer estanqueidade e gestão ambiental.
Elemento Função Ponto de especificação
Seccionadora isolamento e seleção de
caminhos
corrente/tensão, suportabilidade, comando e intertravamento.
Bucha passagem isolada pelo tan-
que/parede
classe de tensão, corrente, distância de escoamento.
Isolador suporte mecânico com iso-
lamento
poluição, impulso, esforço mecânico e lavagem.
OLTC alteração de tap sob carga faixa, passos, corrente, manutenção do comutador.
Relé Buchholz detecta gás/fluxo anormal
em transformador com con-
servador
alarme e trip; não se aplica da mesma forma a todo projeto.
6. Aplicação prática
Problema: substituir disjuntor antigo de óleo em cubículo de 13,8 kV. Solução: especificar disjuntor a vácuo com tensão,
corrente, interrupção, impulso, sequência de operação, comando e interface mecânica compatíveis. Funcionamento: relé
comanda a bobina; a mola abre rapidamente; a ampola extingue o arco. Resultado: maior disponibilidade e menor
manutenção, após estudo de coordenação e adequação do painel.
7. Exemplo de engenharia
Um disjuntor de 13,8 kV, 630 A e 16 kA não é validado apenas porque a carga é 200 A. Se o estudo indicar curto simétrico de
18 kA, sua capacidade de interrupção é insuficiente. Deve-se aumentar a classe de interrupção ou limitar a falta. Também
se conferem corrente de crista, suportabilidade de curta duração, TRV, nível de impulso e ciclo O–CO.
8 / 10
Engenharia Elétrica — Subestações Tema 2 — Equipamentos de subestações
8. Pontos críticos e cuidados
• Nunca operar seccionadora comum para interromper carga; intertravamentos evitam sequência indevida.
• Disjuntor não garante isolamento visual; aplicar procedimento de desenergização, impedimento de reenergização, con-
statação e aterramento temporário.
• SF6 é tecnicamente excelente, mas possui elevado potencial de aquecimento global; monitorar vazamentos e recuperar
o gás.
• Óleo com água e produtos de oxidação perde desempenho dielétrico e térmico.
• Corrente nominal, interrupção, fechamento, curta duração e nível de isolamento são grandezas diferentes.
9. Relação com outros assuntos
Relaciona-se a curto-circuito, coordenação de proteção, arco elétrico, manutenção preditiva, análise de gases dissolvidos,
regulação de tensão e arranjos de barramentos.
10. Complementos técnicos
Complemento técnico
Ensaios do óleo. O material cita rigidez dielétrica, cor, índice de neutralização, tensão interfacial, teor de água,
densidade e PCB. A interpretação correta usa tendência histórica, método normativo e limites do fabricante; um
único ensaio não diagnostica sozinho o transformador. Cromatografia de gases dissolvidos busca assinaturas de falhas
térmicas e elétricas.
O material diferencia óleo mineral parafínico ou naftênico, fluidos vegetais e sintéticos. O ascarel/PCB é persistente,
tóxico e sujeito a controle ambiental rigoroso; equipamentos antigos contaminados exigem identificação, manuseio e
destinação especializados.
11. Para memorizar
Para memorizar• Disjuntor interrompe carga e curto dentro de sua classe; seccionadora isola/manobra sem carga.
• Em CA, a extinção aproveita o zero de corrente e exige recuperação dielétrica rápida.
• Tecnologias: óleo, ar comprimido, sopro magnético, vácuo e SF6.
• Icc ≈ IN/Zpu é estimativa com fonte forte.
• Óleo isola e refrigera; buchas separam parte viva e carcaça; tap ajusta tensão.
12. Resumo final do módulo
Revisão de 60 segundos
O disjuntor é definido tanto por condução normal quanto por desempenho durante a falta. O meio extintor controla
o arco e determina manutenção, tamanho e aplicação. Seccionadoras cumprem função distinta e dependem de
intertravamentos. No transformador, enrolamentos, núcleo, óleo, refrigeração, buchas e comutadores trabalham
como um sistema; ensaios devem ser analisados em conjunto e por tendência.
9 / 10
Engenharia Elétrica — Subestações Tema 2 — Equipamentos de subestações
Fechamento do Tema 2
Equipamento
Pergunta essencial
Cabo e mufla
a isolação e o controle de campo são compatíveis com a classe de tensão?
Para-raios
tensão contínua, corrente de descarga, residual e aterramento são adequados?
Fusível
suporta carga/inrush e coordena com faltas e proteções adjacentes?
Disjuntor
conduz, fecha e interrompe os valores calculados?
Seccionadora
será operada somente nas condições para as quais foi projetada?
Transformador
potência, impedância, grupo, taps, refrigeração e proteção atendem ao sistema?
Matriz de cobertura do material-base
Mód.
Conteúdo original Onde foi incorporado
1
ramais aéreos/subterrâneos, cabos AT e suas camadas conceitos, funcionamento e comparação.
1
muflas, descargas diretas/indiretas, mastros e cabos de
guarda
funcionamento, componentes e cuidados.
1
para-raios de linha, chave fusível, elos H/K/T e rapidez equações, tabela, exemplo e memorização.
2
arco elétrico; PVO/GVO, ar, sopro magnético, vácuo e
SF6
funcionamento e tabela comparativa.
2
mecanismo de mola e operação remota; seccionadoras funcionamento, aplicação e cuidados.
2
transformador, taps, seco/óleo, buchas e isoladores componentes, equações e exemplo.
2
tipos, degradação e ensaios de óleo isolante complemento técnico e pontos críticos.
Referências do material-base
MAMEDE FILHO, J. Manual de equipamentos elétricos. LTC.
MAMEDE FILHO, J. Instalações elétricas industriais. LTC.
ABNT. Normas aplicáveis a para-raios, transformadores, óleo isolante, cabos e instalações de média tensão; consultar edições
vigentes e requisitos da distribuidora.
10 / 10
	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 2