Sistemas Elétricos e Subestações

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APOSTILA DE REVISÃO TÉCNICA
Subestações
Sistemas, equipamentos, proteção e projeto
Tema 1
Sistemas Elétricos, SIN e Subestações
Da geração ao consumidor: estrutura, operação interligada e tipos de subestação
Pergunta-guia
Como a energia é produzida, transportada, controlada e transformada com continuidade, qualidade e segurança?
Ao final, você deverá ser capaz de
Interpretar a cadeia do SEP, explicar a função do SIN e do ONS, reconhecer níveis de tensão e classificar subestações
por função, instalação e tecnologia.
Engenharia Elétrica — material construído a partir do conteúdo da disciplina e complementado para estudo.
Engenharia Elétrica — Subestações Tema 1 — SEP, SIN e classificação
Mapa do tema
Este tema situa a subestação dentro do sistema elétrico completo. A sequência de estudo é:
Geração Transmissão Subestação Distribuição e consumo
Módulo
Núcleo do conteúdo Competência de engenharia
1
estrutura do SEP, tensões, perdas,
CA/CC e diagramas
justificar níveis de tensão e ler a representação do sistema.
2
SIN, intercâmbios, ONS e progra-
mação da operação
compreender por que geração e transmissão são coordenadas
nacionalmente.
3
funções e classificações das
subestações
selecionar conceitualmente a solução compatível com a apli-
cação.
Leitura intuitiva
A subestação não é apenas um conjunto de transformadores. Ela é um nó do SEP: recebe circuitos, modifica níveis
de tensão, secciona, protege, mede, controla e permite reconfigurar o fluxo de energia.
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Engenharia Elétrica — Subestações Tema 1 — SEP, SIN e classificação
MÓDULO 1
Introdução aos Sistemas Elétricos de Potência
Questão central
Por que a energia é gerada em um nível de tensão, transmitida em outro e utilizada em vários
níveis diferentes?
Resultado esperado
Relacionar potência, corrente, perdas e queda de tensão; distinguir geração, transmissão, dis-
tribuição e consumo.
1. Visão geral
O Sistema Elétrico de Potência (SEP) reúne instalações e equipamentos destinados à geração, transmissão, distribuição e
utilização da energia elétrica. Deve atender à carga no instante solicitado, mantendo continuidade, conformidade da tensão
e frequência, segurança, flexibilidade operativa e possibilidade de recomposição após faltas.
O desenvolvimento da corrente alternada polifásica e do transformador viabilizou elevar a tensão para transmitir grandes
potências com corrente menor. A transmissão em corrente contínua de alta tensão (HVDC) voltou a ser competitiva com
o desenvolvimento dos conversores, especialmente em enlaces longos, cabos submarinos e interligações assíncronas.
2. Conceitos fundamentais
SEP
Definição técnica: Conjunto interdependente de fontes, linhas, subestações, sistemas de proteção, controle e cargas.
Em termos simples: É a cadeia física que leva energia da fonte ao ponto de uso. Uma falha local pode alterar fluxos
em diversas partes da rede.
Carga e demanda
Definição técnica: Carga é o equipamento ou conjunto que absorve potência. Demanda é a potência solicitada
durante um intervalo definido.
Em termos simples: Potência instalada é o máximo teórico; demanda é o que provavelmente funcionará ao mesmo
tempo.
Continuidade e conformidade
Definição técnica: Continuidade trata da disponibilidade do serviço; conformidade trata da manutenção das grandezas
dentro dos padrões.
Em termos simples: Ter energia disponível não basta: tensão, frequência e qualidade também precisam ser adequadas.
Consumidor cativo e consumidor livre
Definição técnica: O cativo compra energia da distribuidora segundo regras tarifárias; o consumidor livre negocia
energia no ambiente permitido, mantendo o uso físico das redes.
Em termos simples: O contrato de energia e o caminho elétrico são assuntos relacionados, mas não idênticos.
3. Funcionamento
1. A fonte primária é convertida em energia elétrica pelo gerador, usualmente em tensões da ordem de unidades ou dezenas
de quilovolts.
2. Um transformador elevador aumenta a tensão e reduz a corrente necessária para transmitir a mesma potência.
3. Linhas de transmissão transportam grandes blocos de potência; subestações de transmissão seccionam, protegem e
interligam circuitos.
4. Subestações abaixadoras transferem a energia para subtransmissão e distribuição.
5. Transformadores de distribuição reduzem a tensão para uso industrial, comercial ou residencial.
6. Proteção, supervisão, telecomunicações e controle mantêm o sistema dentro dos limites e isolam defeitos.
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Engenharia Elétrica — Subestações Tema 1 — SEP, SIN e classificação
Gerador
6,9–30 kV SE elevadora
Transmissão
AT/EAT SE abaixadora
Distribuição
consumidores
4. Equações e relações matemáticas
Potência, corrente e perdas
Para sistema trifásico equilibrado:
P =
√
3VLIL cosφ, IL =
P√
3VL cosφ
Perda ôhmica nos três condutores:
PJ = 3RI2L
P em W, VL em V, IL em A, R em Ω por fase. Para potência e fator de potência fixos, elevar VL reduz IL e as
perdas variam aproximadamente com 1/V 2
L .
Exemplo resolvido — efeito da elevação da tensão
Transmitir P = 100MW, cosφ = 1, com R = 5Ω por fase.
I138 =
100× 106√
3(138× 103)
= 418,4A
I500 = 115,5A
As perdas são 3RI2: aproximadamente 2,63MW em 138 kV e 0,20MW em 500 kV. O exemplo ignora reatância,
capacitância e limites de isolamento, mas evidencia a razão física da alta tensão.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
Elemento Função Observação técnica
Gerador converte energia mecânica em
elétrica
controla potência ativa e, dentro de limites, tensão/reativos.
Transformador altera tensão e corrente sem al-
terar frequência
proporciona isolamento galvânico nos modelos convencionais.
Linha/cabo transporta energia possui resistência, indutância, capacitância e limites térmi-
co/dielétrico.
Subestação transforma, manobra, protege,
mede e controla
sua topologia define flexibilidade e confiabilidade.
Compensação fornece ou absorve potência
reativa
capacitores, reatores e compensadores sustentam tensão e fa-
tor de potência.
Níveis citados no material-base: geração tipicamente entre 6,9 e 30 kV; rede básica e subtransmissão com exemplos em
750, 500, 230, 138 e 69 kV; distribuição primária com exemplos em 34,5, 13,8 e 11,9 kV. A lista é didática, não exaustiva:
tensões existentes e padronizadas dependem da rede e do agente.
6. Aplicação prática
Problema: transportar grande potência de uma usina distante. Solução: elevar a tensão na saída, usar transmissão
AT/EAT e reduzir progressivamente a tensão próximo às cargas. Funcionamento: a corrente menor reduz aquecimento
e queda de tensão; transformadores e subestações adequam os níveis. Resultado: menor perda técnica e condutores
economicamente viáveis.
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7. Exemplo de engenharia
Uma fábrica demanda 8 MVA e seria atendida por um alimentador longo. O engenheiro compara atendimento em 13,8 kV e
34,5 kV. Para o mesmo fator de potência, a corrente em 34,5 kV é 40% da corrente em 13,8 kV; a perda I2R cai para cerca
de 16%, antes de considerar custos adicionais de isolamento e equipamentos. A escolha final exige estudo técnico-econômico
e padrão da distribuidora.
8. Pontos críticos e cuidados
• Não confundir potência instalada, demanda, energia (kWh) e potência (kW/kVA).
• A elevação da tensão reduz corrente, mas aumenta requisitos de isolação, afastamentos, proteção e custo dos equipa-
mentos.
• TUST e TUSD remuneram o uso das redes; não são perdas elétricas.
• O diagrama unifilar representa um sistema trifásico por uma linha; não significa circuito monofásico.
• Valores de tensão dependem da classe do sistema e do padrão da concessionária.
9. Relação com outros assuntos
O módulo conecta circuitos trifásicos, máquinas elétricas, transformadores, fluxo de potência, proteção, qualidade de energia
e análise econômica de sistemas.
10. Complementos técnicos
Complemento técnico
CA versus HVDC. A CA facilita transformação e conexão em malha. HVDC exige estações conversoras, porém
permite controle preciso do fluxo, não transporta potênciareativa na linha e pode ser vantajosa em longas distâncias
ou cabos. A decisão depende do comprimento, potência, perdas, estabilidade e custo terminal.
11. Para memorizar
Para memorizar
• Cadeia do SEP: geração → transmissão → subestações → distribuição → consumo.
• P =
√
3VLIL cosφ e PJ = 3RI2L para sistema trifásico equilibrado.
• Elevar tensão reduz corrente e perdas, mas exige maior isolamento.
• Subestação transforma, secciona, protege, mede, controla e interliga.
• Unifilar resume as três fases; multifilar explicita os condutores.
12. Resumo final do módulo
Revisão de 60 segundos
O SEP entrega energia com continuidade e conformidade. A alta tensão reduz a corrente necessária para uma
potência dada e, portanto, as perdas ôhmicas. Geradores, transformadores, linhas, subestações e cargas formam um
sistema interdependente. CA e HVDC têm campos de aplicação próprios, e a leitura de diagramas é essencial para
compreender a topologia.
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Engenharia Elétrica — Subestações Tema 1 — SEP, SIN e classificação
MÓDULO 2
Sistema Interligado Nacional e operação coordenada
Questão central
Por que não basta cada usina gerar isoladamente a potência de sua região?
Resultado esperado
Explicar intercâmbios, complementaridade das fontes e a função do ONS na programação e
operação do SIN.
1. Visão geral
O Sistema Interligado Nacional (SIN) conecta a maior parte da geração e das cargas brasileiras por uma extensa rede
de transmissão. A interligação permite compartilhar reservas, aproveitar complementaridades hidrológicas e energéticas e
despachar recursos segundo segurança, restrições elétricas e custo. Sistemas isolados permanecem onde a conexão ao SIN
não é técnica ou economicamente disponível.
2. Conceitos fundamentais
Interligação
Definição técnica: Operação coordenada de subsistemas e agentes conectados eletricamente.
Em termos simples: Uma região pode exportar energia quando dispõe de excedente e importar quando enfrenta
déficit.
Despacho
Definição técnica: Definição das unidades geradoras e dos níveis de produção necessários para atender carga e
restrições.
Em termos simples: Não é simplesmente escolher a usina mais barata; limites elétricos, hidráulicos, ambientais e de
segurança também contam.
Reserva operativa
Definição técnica: Capacidade disponível para responder a desvios de carga, perdas de geração ou contingências.
Em termos simples: É a margem que evita operar o sistema no limite absoluto.
Programa Mensal e programação diária
Definição técnica: Horizontes coordenados que produzem diretrizes e detalham a operação esperada.
Em termos simples: O mensal define estratégia; o diário ajusta essa estratégia às condições previstas para o dia
seguinte.
3. Funcionamento
1. Agentes informam disponibilidade de unidades, restrições, indisponibilidades e limites de equipamentos.
2. São consideradas previsões de carga, afluências, vento, irradiância, temperatura e intercâmbios.
3. O planejamento mensal estabelece políticas energéticas e metas semanais/patamares de carga.
4. A programação diária detalha geração, intercâmbios e restrições para intervalos menores.
5. A operação em tempo real corrige desvios e atua diante de contingências.
Dados dos
agentes
Previsões
e restrições
Otimização
e segurança
Programa
operativo
Operação em
tempo real
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4. Equações e relações matemáticas
Balanço instantâneo de potência ativa
∑
PG −
∑
PC − Pperdas =
dEarmazenada
dt
Em regime quase estacionário, a variação da energia eletromecânica armazenada é pequena e geração deve acompanhar
carga mais perdas. Um desequilíbrio persistente aparece como desvio de frequência.
Critério simplificado de despacho
min
∑
i
Ci(Pi)
sujeito a
∑
Pi = PD + Pperdas, Pmin
i ≤ Pi ≤ Pmax
i e restrições de rede, reserva, rampa, hidráulicas e ambientais.
O modelo real é temporal, não linear e muito mais abrangente.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
Agente/recurso Papel Limitação relevante
Hidrelétrica flexibilidade e armazenamento em
reservatórios
hidrologia, usos múltiplos da água e valor futuro.
Termelétrica geração controlável e segurança
em períodos críticos
combustível, emissões, custo e rampas.
Eólica/solar energia renovável de baixo custo
marginal
variabilidade e incerteza meteorológica.
Transmissão intercâmbio entre regiões limites térmicos, tensão, estabilidade e contingências.
ONS coordenação eletroenergética do
SIN
opera segundo procedimentos, dados e responsabilidades dos
agentes.
6. Aplicação prática
Problema: estiagem reduz a energia armazenada em determinada região. Solução: reprogramar geração hidráulica, térmica
e intercâmbios. Funcionamento: o despacho respeita limites das linhas e mantém reserva. Resultado: atendimento da
carga com menor risco sistêmico e uso coordenado dos recursos.
7. Exemplo de engenharia
Uma linha de intercâmbio pode transportar no máximo 1.000 MW e a região importadora apresenta déficit previsto de 1.250
MW. Mesmo havendo geração barata excedente em outra região, 250 MW precisam ser atendidos localmente, reduzidos
por resposta da demanda ou supridos por outra rota. O gargalo de transmissão altera o despacho econômico.
8. Pontos críticos e cuidados
• Capacidade instalada não equivale à energia efetivamente disponível em cada instante.
• O menor custo imediato pode comprometer segurança ou disponibilidade futura de água.
• Dados de geração e extensão de linhas envelhecem; use bases atuais do ONS/EPE para trabalhos quantitativos.
• Interligações transferem energia, mas também propagam perturbações; proteção e estabilidade são sistêmicas.
• Frequência é indicador do balanço de potência ativa; tensão está fortemente ligada ao balanço reativo local.
9. Relação com outros assuntos
Relaciona-se a fluxo de potência, estabilidade, previsão de carga, mercados de energia, controle geração-carga, proteção
sistêmica e telecomunicações de tempo real.
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10. Complementos técnicos
Complemento técnico
O processo atual do ONS combina critérios energéticos e elétricos, disponibilidade de equipamentos, previsão de
demanda e restrições locais. A programação diária deriva das diretrizes mensais, mas é atualizada pelas condições
mais recentes e serve de referência para a operação em tempo real.
11. Para memorizar
Para memorizar
• O SIN permite intercâmbio, compartilhamento de reservas e complementaridade entre fontes/regiões.
• ONS coordena programação e operação; agentes fornecem dados e cumprem responsabilidades.
• Geração deve equilibrar carga e perdas; desequilíbrio afeta frequência.
• PMO: horizonte mensal com etapas semanais; programação diária detalha o dia seguinte.
• Despacho considera custo, segurança e restrições elétricas, energéticas, ambientais e operativas.
12. Resumo final do módulo
Revisão de 60 segundos
A operação interligada aproveita diversidade de fontes e regiões, mas exige coordenação centralizada e respeito
aos limites da rede. O planejamento mensal orienta o uso energético; a programação diária incorpora informações
atualizadas; a operação em tempo real corrige desvios. Segurança e atendimento da carga prevalecem sobre uma
visão simplista de menor custo.
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Engenharia Elétrica — Subestações Tema 1 — SEP, SIN e classificação
MÓDULO 3
Classificação e função das subestações
Questão central
Como reconhecer o tipo de subestação e sua posição no processo de entrega de energia?
Resultado esperado
Classificar subestações por função, nível de tensão, instalação, tecnologia e forma de operação.
1. Visão geral
Subestações são pontos de transformação e manobra que conectam trechos do SEP. Podem elevar ou reduzir tensão,
interligar circuitos no mesmo nível, converter CA/CC, compensar reativos, seccionar faltas e concentrar medição, proteção
e controle. A classificação correta indica requisitos de equipamento, isolamento, arranjo, segurança e manutenção.
2. Conceitos fundamentais
Elevadora e abaixadoraDefinição técnica: A elevadora aumenta a tensão, tipicamente junto à geração; a abaixadora reduz a tensão em
transmissão, subtransmissão ou distribuição.
Em termos simples: A direção do fluxo não muda o princípio do transformador, mas define a função predominante
da instalação.
Seccionadora/interligadora
Definição técnica: Conecta ou separa linhas e barras sem necessariamente mudar o nível de tensão.
Em termos simples: Permite reconfigurar a rede e transferir circuitos entre barramentos.
Abrigada e desabrigada
Definição técnica: Abrigada utiliza edificação/cubículos; desabrigada fica ao tempo com equipamentos próprios para
o ambiente.
Em termos simples: A escolha afeta área, construção civil, manutenção, poluição e exposição climática.
AIS e GIS
Definição técnica: AIS usa ar como isolamento externo; GIS encapsula condutores e equipamentos em gás isolante.
Em termos simples: AIS ocupa mais área e facilita inspeção visual; GIS é compacta e tem maior custo/especialização.
3. Funcionamento
No processo típico, uma SE elevadora recebe a geração; subestações de transmissão interligam linhas e reduzem para
subtransmissão; subestações de distribuição alimentam redes primárias; unidades consumidoras de maior porte recebem
média ou alta tensão e possuem sua própria transformação, medição e proteção.
Critério Classes usuais Pergunta de seleção
Função elevadora, abaixadora, manobra,
conversora
qual transformação ou conexão será realizada?
Instalação interna/abrigada, exter-
na/desabrigada
quais condições ambientais e de espaço existem?
Tecnologia AIS, GIS, híbrida ar, gás ou combinação será o meio principal de isolamento?
Operação assistida, semiautomática, au-
tomatizada
qual nível de supervisão e telecomando é requerido?
Aplicação transmissão, distribuição, indus-
trial/consumidor
a quem e em qual nível a instalação atende?
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Engenharia Elétrica — Subestações Tema 1 — SEP, SIN e classificação
4. Equações e relações matemáticas
Relação de transformação ideal
V1
V2
=
N1
N2
= a,
I1
I2
=
N2
N1
=
1
a
V em V, I em A, N número de espiras. Na prática, impedância interna e regulação produzem queda de tensão.
Tensão em por unidade
Vpu =
V
Vbase
Uma leitura de 1,05 pu representa 105% da tensão-base. O sistema por unidade permite comparar grandezas em
diferentes níveis após os transformadores.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
• Pátio/cubículos: alojam vãos de linha, transformação, acoplamento, medição e alimentação.
• Barramentos: nós condutores que recebem e distribuem circuitos.
• Transformadores: adequam níveis e podem regular tensão por derivações.
• Disjuntores e seccionadoras: interrompem corrente de carga/falta e proporcionam isolamento visível conforme a
função.
• TC, TP, relés e automação: convertem grandezas, detectam defeitos, comandam abertura e registram eventos.
6. Aplicação prática
Problema: alimentar um centro urbano com pouca área disponível e alta exigência de continuidade. Solução: comparar
AIS, GIS e solução híbrida. Funcionamento: GIS reduz distâncias de isolamento e encapsula partes vivas. Resultado:
menor ocupação e menor exposição ambiental, ao custo de maior investimento e manutenção especializada.
7. Exemplo de engenharia
Para uma indústria atendida em 13,8 kV, uma subestação simplificada pode ser suficiente dentro dos limites e padrões
da distribuidora. Se houver vários transformadores, necessidade de seletividade, expansão ou transferência de cargas, uma
subestação abrigada convencional com disjuntor geral e cubículos separados tende a oferecer melhor operação. A potência,
a confiabilidade e a regra local decidem; o nome da tipologia não substitui o projeto.
8. Pontos críticos e cuidados
• Limites de potência para subestação simplificada e tipo de medição são específicos da distribuidora.
• Qualidade da tensão deve ser avaliada pela regulamentação vigente, não por uma faixa decorada sem contexto.
• Alteração de tap não deve ser feita em carga quando o comutador é do tipo desenergizado.
• GIS reduz área, mas o gás SF6 requer controle de estanqueidade, recuperação e gestão ambiental.
• Classificação por tensão varia entre normas e empresas; sempre declare o referencial utilizado.
9. Relação com outros assuntos
Relaciona-se diretamente a coordenação de isolamento, arranjos de barramentos, curto-circuito, proteção, aterramento,
manutenção e segurança operacional.
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Engenharia Elétrica — Subestações Tema 1 — SEP, SIN e classificação
10. Complementos técnicos
Complemento técnico
Observação técnica sobre tensão de atendimento. O material apresenta faixas do PRODIST para diferentes
tensões. Essas faixas são regulatórias e podem ser revisadas. Em projeto ou laudo, identificar tensão de referência,
ponto de conexão, período de medição e versão vigente do Módulo 8 do PRODIST.
As categorias apresentadas são adequada, precária e crítica. Os limites numéricos mudam conforme a faixa de
tensão; portanto, não se deve transportar automaticamente a banda de um nível para outro.
11. Para memorizar
Para memorizar
• Classifique por função, aplicação, tensão, instalação, tecnologia e automação.
• Elevadora: típica da geração; abaixadora: transmissão/distribuição/consumo.
• AIS usa isolamento externo em ar; GIS é encapsulada e compacta.
• Subestação simplificada tem aplicação limitada pelo padrão da distribuidora.
• Tap ajusta relação de transformação; operação em carga exige OLTC próprio.
12. Resumo final do módulo
Revisão de 60 segundos
Subestações são nós funcionais do SEP. A classificação esclarece o que a instalação faz, onde opera e como é con-
struída. A solução deve combinar potência, nível de tensão, confiabilidade, espaço, ambiente, segurança, manutenção
e regras da distribuidora. AIS, GIS, instalações abrigadas e desabrigadas são alternativas técnicas, não categorias de
qualidade absoluta.
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Engenharia Elétrica — Subestações Tema 1 — SEP, SIN e classificação
Fechamento do Tema 1
Se você vir...
Pense imediatamente em...
P =
√
3V I cosφ
corrente necessária e efeito do nível de tensão.
I2R
perdas e aquecimento dos condutores.
SIN
intercâmbio, coordenação do ONS e restrições sistêmicas.
Subestação
transformação, manobra, proteção, medição e controle.
AIS/GIS
área, isolamento, ambiente, custo e manutenção.
Matriz de cobertura do material-base
Mód.
Conteúdo original Onde foi incorporado
1
evolução CA/CC e HVDC; requisitos e partes do SEP visão geral, conceitos e complemento.
1
níveis de tensão, perdas, consumidores, TUST/TUSD funcionamento, equações, aplicação e cuidados.
1
diagramas uni/multifilares; carga, demanda e elemen-
tos CA
conceitos, equipamentos e relações.
2
regiões do SIN, fontes, transmissão, ONS e termelétri-
cas
visão geral, componentes e funcionamento.
2
programação mensal/diária, dados, clima, custo e
excedentes
fluxo operativo, equações, aplicação e exemplo.
3
processo de elevação/redução, entrega e qualidade da
tensão
funcionamento, equações e observação técnica.
3
internas/externas, simplificadas, abrigadas e SF6 classificação, comparação e exemplo.
Referências do material-base e complementos
ALBUQUERQUE, R. O. Análise de circuitos em corrente alternada. São Paulo: Érica.
MAMEDE FILHO, J. Instalações elétricas industriais. LTC.
OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELÉTRICO. Procedimentos de Rede, programação mensal e diária da operação.
ANEEL. PRODIST — Módulo 8: Qualidade do Fornecimento de Energia Elétrica. Consultar versão vigente.
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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 cuidados9. 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 1