CAP 2 EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS

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Capítulo 22
Equipamentos Elétricos
1. OBJETIVO
Este capítulo tem por objetivo apresentar os principais equipamentos
elétricos dando ênfase as suas funções dentro dos sistemas elétricos. O co-
nhecimento básico destas funções e de uma breve introdução sobre as su-
bestações são conhecimentos essenciais para o entendimento da análise dos
sistemas elétricos de potência.
2. INTRODUÇÃO
Uma subestação é um conjunto de equipamentos usados para controlar,
modificar, comandar, distribuir e direcionar o fluxo de energia elétrica em um
sistema elétrico. Elas tem uma ou mais das seguintes funções:
· manobra, permitindo conectar e desconectar equipamentos elétricos,
· transformação, permitindo elevar ou baixar a tensão quando for mais
conveniente para a operação do sistema elétrico,
· seccionamento, permitindo limitar os comprimentos dos trechos de li-
nhas de transmissão e cabos,
· distribuição, permitindo a subdivisão do fluxo de potência para aten-
der a diversos alimentadores.
 Quanto ao nível de tensão de alimentação, as subestações se classifi-
cam em:
· Baixa tensão: até 1 KV;
· Média tensão: entre 1 KV e 66 KV;
· Alta tensão: entre 69 KV e 230 KV;
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· Extra alta tensão entre 231 KV e 800 KV;
· Ultra alta tensão acima de 800 KV.
As tensões empregadas no Brasil para transmissão, subtransmissão e
distribuição são 13.8 KV, 34.5 KV, 69 KV, 88 KV, 138 KV, 230 KV, 345 KV, 440
KV, 500 KV e 765 KV. Na região Nordeste, as tensões empregadas para distri-
buição secundária são 380V entre fases e 220V entre fase e neutro e para
distribuição primária, 13,8 KV.
De acordo com o posicionamento e a função dentro de um sistema elé-
trico as subestações podem ser classificadas em:
· Subestações de Transmissão,
· Subestações de Subtransmissão,
· Subestações de Distribuição,
· Subestações de Consumidor.
A Figura 1 apresenta a vista lateral de um setor de 230 KV de uma su-
bestação de transmissão.
Figura 1 - Vista lateral do setor de 230 KV de uma subestação ao tempo
3. NÍVEL DE TENSÃO
Os sistemas elétricos são caracterizados por três valores de tensão, a
nominal, a máxima e a mínima. A tensão nominal de um sistema é aquela que
caracteriza o sistema elétrico e as tensões máxima e mínima de um sistema
são, respectivamente, o maior e o menor valor de tensão que podem ocorrer
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em condições normais de operação, em qualquer tempo e em qualquer ponto
do sistema, excluídas as condições transitórias e anormais.
O nível de tensão em que é alimentado um dado sistema elétrico resi-
dencial, comercial ou industrial no Brasil é função da potência instalada e da
demanda deste sistema, devendo seguir a Portaria ANEEL 466 de 12/11/97 e
as normas de fornecimento de energia elétrica da concessionária responsável
pela alimentação do sistema elétrico.
A portaria ANEEL 466 agrupa os consumidores em dois grupos. No gru-
po B (baixa tensão) estão aqueles consumidores que têm carga instalada
igual ou inferior a 50 kW, enquanto no grupo A (alta tensão) estão aqueles
consumidores que devem ser alimentados em tensão primária de distribuição
ou tensão de transmissão.
No caso do Nordeste do Brasil, consumidores de demanda entre 50 kW
e 2500 kW devem ser alimentados em 13,8 kV, acima de 2500 kW em 69 kV
ou maior tensão de acordo com disponibilidade da concessionária local.
A portaria ANEEL 466 estabelece ainda que a concessionária de ener-
gia local classifique ainda os consumidores nas seguintes classes, que estão
sujeitas a tarifas diferenciadas:
· Residencial
· Industrial
· Comercial, serviços e outras atividades
· Rural
· Poder Público
· Iluminação Pública
· Serviço Público (tração elétrica, água, saneamento e
esgoto)
· Consumo Próprio
Para os consumidores do grupo B no estado de Pernambuco, a norma
CELPE NE–005/96 para fornecimento de energia elétrica para consumidores
em tensão secundária de distribuição, estabelece os valores de tensão e o tipo
de fornecimento, que estão reproduzidos na tabela I.
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Tabela 1 - Fornecimento de energia em tensão secundária de distribuição
IT
E
M
TIPO DE
FORNECI-
MENTO
Número
de fios e
tensão
Carga Instalada
Equipamentos que não
podem ser ligados
Motor monofásico com potência
superior a 3 CV
Máquina de solda e transforma-
dor com potência superior a 3
KVA
1 Monofásico
2 fios /
fase e
neutro
220V
CI £ 15 KW
Aparelhos de Raio X com potên-
cia superior a 3 KVA
Motor monofásico com potência
superior a 3 CV
Máquina de solda e transforma-
dor com potência superior a 3
KVA
2 Bifásico
3 fios /
duas fa-
ses e
neutro
220/380V
15 <CI £ 30 KW
Aparelhos de Raio X com potên-
cia superior a 3 KVA
Motor monofásico com potência
superior a 30 CV
Máquina de solda e transforma-
dor com potência superior a 15
KVA
3 Trifásico
3 fios /
três fases
e neutro
220/380V
30 < CI £ 50 KW
Aparelhos de Raio X com potên-
cia superior a 20 KVA
Os consumidores de alta tensão são ainda classificados em subgrupos
de acordo com o seu respectivo nível de tensão, de forma a permitir aplicações
de valores de tarifas de energia diferenciadas de acordo com o nível de ten-
são, como pode ser visto na Tabela 2. Quanto maior o nível de tensão, meno-
res serão os valores das tarifas estipuladas.
Tabela 2 – Subgrupos dos consumidores do grupo A
Subgrupos Nível de Tensão
A1 230 kV ou mais
A2 88 kV à 138 kV
A3 69 kV
A3A 30 kV à 44 kV
A4 2,3 kV à 25 kV
AS ( subterrâneo ) ---------------
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A concessionária de energia elétrica é responsável pelo fornecimento e
instalação de materiais até o ponto de entrega de energia usualmente locali-
zado na parte superior do poste do consumidor.
A Figura 2 apresenta a alimentação de um consumidor residencial mo-
nofásico, onde pode ser visto a indicação do ponto de entrega.
Figura 2 - Alimentação de um consumidor residencial monofásico
Denomina-se ramal de serviço ou ramal de ligação o trecho compreen-
dido entre a rede de distribuição e o ponto de entrega. Ele pode ser aéreo,
subterrâneo ou misto. Este ramal deve ser construído pelo consumidor, não
deve cortar terrenos de terceiros e não ter construção sob o ramal. Denomina-
se ramal de entrada o conjunto de componentes elétricos entre o ponto de en-
trega e a medição ( Figura 2). O afastamento do ramal de ligação em relação
ao solo deve satisfazer as distâncias mínimas de segurança em relação a pas-
sagem de pedestres e ou veículos dependendo do caso.
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4. SUBESTAÇÕES DE CONSUMIDOR
As subestações de consumidor são responsáveis pelo transformação,
comando e distribuição do fluxo de energia dos sistemas elétricos residenciais
comerciais e industriais de médio e grande porte.
As subestações de consumidor são divididas em compartimentos deno-
minados de cubículos, postos ou cabines. Os postos ou cabines mais usual-
mente encontrados em subestações de consumidor são os postos de medição,
proteção e transformação.
O cubículo ou posto de medição deve vir sempre antes do posto de
proteção. O fornecimento e a instalação dos equipamentos de medição é de
responsabilidade da concessionária. A caixa de medição ou quadro de distri-
buição, eletrodutos, sistema de aterramento, condutores e dispositivos de
proteção e seccionamento são de fornecimento do consumidor.
Quanto a forma de instalação, as subestações de consumidor estão
classificadas em:
1. Subestações ao tempo
2. Subestações abrigadas· Em alvenaria
· Metálica
O posto de transformação pode ser instalado ao tempo, blindadoou
abrigado. A instalação se dá em poste singelo para potências até 150 kVA e
em plataforma até 225 kVA. A instalação no solo pode acontecer para qual-
quer potência de transformador.
5. EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS
Define-se equipamento elétrico como sendo uma unidade funcional
completa e distinta, que exerce uma ou mais funções elétricas relacionadas
com geração, transmissão, distribuição ou utilização de energia elétrica.
Os equipamentos elétricos encontrados nos sistemas elétricos podem
ser classificados em quatro grupos: equipamentos principais, equipamentos de
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manobra, equipamentos de MPCC (medição, proteção, comando e controle),
equipamentos de utilização de energia.
Os equipamentos principais são aqueles que atuam diretamente no flu-
xo de potência modificando-o. Nestes equipamentos se enquadram os gerado-
res, os transformadores de potência, os reatores de derivação, os bancos ca-
pacitores, os compensadores síncronos, estáticos e os capacitores série.
Um sistema elétrico de corrente alternada opera em cada um de seus
trechos com a tensão mais conveniente, tanto do ponto de vista técnico
quanto econômico. Esta enorme flexibilidade é obtida através dos transforma-
dores, equipamentos estáticos, de alta eficiência e grande confiabilidade. Eles
podem ter a função de elevar as tensões de geração para as tensões de
transmissão (denominados trafos elevadores), podem ter a função de interligar
partes do sistema de transmissão (denominados trafos de interligação) e fi-
nalmente podem ter a função de abaixar as tensões de transmissão para as
tensões de subtransmissão e de distribuição (denominados trafos abaixado-
res).
Os transformadores de potência se classificam quanto ao meio refrige-
rante externo em:
· transformadores à seco;
· transformadores à líquido isolante:
· transformadores à óleo mineral isolante;
· transformadores à líquido isolante sintético;
Os transformadores á óleo mineral são os que tem menor custo por KVA
e são os mais usualmente empregados principalmente para alta e extra alta
tensão.
O óleo mineral é um derivado do petróleo, que deve ter suas caracterís-
ticas elétricas acompanhadas periodicamente. Ele em elevadas temperaturas,
é combustível e inflamável, exigindo para a sua utilização cuidados especiais
em relação a segurança, tais como tanques de drenagem de óleo e paredes
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com revestimento especial. A Figura 3 apresenta um transformador de potên-
cia à óleo mineral.
Figura 3 - Transformador à óleo mineral
Em instalações especiais onde os perigos de incêndio são iminentes ou
em instalações onde manutenções preventivas devem ser minimizadas, como
plataformas de petróleo, aeroportos, hospitais, refinarias... os transformadores
à óleo não devem ser especificados. Para estas aplicações devem ser empre-
gados transformadores à seco ou transformadores à líquido isolante sintético.
Os líquidos isolantes sintéticos mais empregados são à base de silicone e os
transformadores à seco mais empregados atualmente são os moldados em
resina epoxi.
Os transformadores à seco possuem enrolamentos em alumínio e ma-
nutenção bastante reduzida. Com uma redução gradual de custo, os transfor-
madores à seco vem disputando mercado até mesmo com transformadores à
óleo.
A Figura 4 apresenta um transformador à seco com enrolamentos en-
capsulados em resina epoxi e enrolamentos de alta e baixa tensão em cobre.
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Figura 4 - Transformador à seco
 Os bancos capacitores são utilizados com a função de melhorar a re-
gulação de tensão compensando o baixo fator de potência das cargas, elevan-
do a tensão nos seus terminais, reduzindo assim as perdas na transmissão e o
custo do sistema.
Figura 5 - Capacitores monofásicos
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Os reatores shunt são empregados nos sistemas elétricos para reduzir
os níveis de tensão, controlando as tensões em regime permanente e para
redução de sobretensões nos surtos de manobra. Para atender a estas fun-
ções a característica tensão corrente destes reatores deve ser linear até um
determinado valor usualmente 150%, isto é obtido empregando reatores de
núcleo de ar ou com núcleo de ferro e entreferros.
Os equipamentos de manobra são responsáveis em abrir, fechar e isolar
circuitos, equipamentos elétricos e componentes. São eles os disjuntores, cha-
ves, elos removíveis e fusíveis.
Os disjuntores são dispositivos de manobra capazes de estabelecer,
conduzir e interromper circuitos com tensão e corrente sob condições normais
de operação, bem como sob condições especificadas tais como curto-circuito.
O disjuntor é um equipamento cujo funcionamento apresenta aspectos
bastante singulares. Opera, continuamente, sob tensão e corrente de carga
muitas vezes em ambientes muito severos, no que diz respeito à temperatura,
à umidade, à poeira, etc. Em geral, após tanto tempo nestas condições, às ve-
zes até anos, é solicitado a operar por conta de um defeito no sistema. Nesse
instante, todo o seu mecanismo, inerte até então, deve operar com todas as
suas funções, realizando tarefas tecnicamente difíceis, em questão de décimos
de segundo.
A operação de qualquer disjuntor se dá separando-se seus respectivos
contatos, que permitem, quando fechado, a continuidade elétrica do circuito.
Durante a separação devido a energia armazenada no circuito forma-se um
arco elétrico. O arco elétrico é uma coluna de gás numa temperatura bastante
elevada, altamente ionizada que conduz a corrente elétrica. O processo de
abertura do disjuntor exige a extinção do arco. O princípio básico para a extin-
ção do arco é provocar o seu alongamento de forma a reduzir a temperatura e
substituir o meio ionizado entre os contatos por um meio isolante.
Para que o disjuntor exerça a ação de abertura dos contatos, o coman-
do pode ser feito manualmente pelo operador ou através dos relés, que de-
tectam faltas nos sistemas elétricos.
Capítulo 2 - Equipamentos Elétricos
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No estado ligado ou fechado o disjuntor deve suportar a corrente nomi-
nal da linha sem que venha a aquecer além dos limites permissíveis. No esta-
do desligado ou aberto a distância de isolamento entre os contatos deve su-
portar a tensão de operação, bem como sobretensões internas devido a surtos
de manobra e descargas atmosféricas.
Os tipos construtivos dos disjuntores dependem dos meios que utilizam
para extinção do arco e podem ser classificados de acordo com o meio de in-
terrupção:
· disjuntores à ar
· na pressão atmosférica;
· à ar comprimido;
· disjuntores à óleo
· a pequeno volume de óleo (PVO);
· a grande volume de óleo (GVO);
· disjuntores à SF6 ;
· disjuntores à vácuo.
A Figura 6 apresenta um disjuntor de 230 KV em hexafluoreto de enxo-
fre (SF6).
Figura 6 - Disjuntor em SF6 de 230 kV
As chaves podem desempenhar diversas funções; a mais comum nas
subestações é seccionamento de circuitos por necessidade operativa ou por
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necessidade de isolar componentes do sistema para a manutenção. Elas po-
dem ser classificadas em:
· chaves seccionadoras - são chaves que permitem isolar componentes ou
circuitos apenas com tensão porém sem corrente;
· lâminas de terra - são chaves empregadas para aterrar componentes ou
circuitos com tensão porém sem corrente;
· chaves de abertura em carga - são chaves que permitem isolar componen-
tes ou circuitos com corrente próximas a nominal;
· chaves de aterramento rápido - são chaves empregadas para aterrar rapi-
damente um componente ou trecho de uma rede submetida à uma falta;
· chaves fusíveis - sãochaves constituídas de três hastes isolantes, normal-
mente de resina epoxi ou de fenolite montadas em paralelo com três cartu-
chos fusíveis, quando atua um elemento fusível o mecanismo articulado faz
com que o comando de abertura seja simultâneo nas três fases.
A Figura 7 apresenta uma chave seccionadora de 230 KV de abertura
vertical com a lâmina de terra acoplada.
Figura 7 - Chave seccionadora
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Os equipamentos de medição, proteção, comando e controle tem por fi-
nalidade atuar de forma a comandar, controlar e supervisionar todos os demais
equipamentos dos sistemas elétricos. São eles os pára-raios, transformadores
de corrente e de potencial, relés, amperímetros, voltímetros...
Os pára-raios são os equipamentos responsáveis pela proteção dos
equipamentos elétricos e instalações contra sobretensões de manobra e so-
bretensões originadas por descargas atmosféricas.
Ao pára-raios são colocados em paralelo com os equipamentos a serem
protegidos, em caso de uma sobretensão que possa causar danos, ele deve
atuar drenando para o aterramento os surtos.
Existem dois tipos de pára-raios:
· pára-raios convencionais ou de carbureto de silício;
· pára-raios de óxido de zinco .
A Figura 8 apresenta um pára-raios convencional de 138 KV com quatro
seções de carbureto de silício.
Figura 8 - Pára-raios convencional - 138KV
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Normalmente, em sistemas acima de 600V, as medições de tensão e
corrente são feitas através dos transformadores de instrumentos. Estes equi-
pamentos tem as seguintes funções: isolar o circuito de baixa tensão (secun-
dário) do circuito de alta-tensão (primário) e reproduzir os efeitos transitórios e
de regime permanente aplicados ao circuito de alta-tensão o mais fielmente
possível no circuito de baixa tensão. Os transformadores de corrente tem seu
enrolamento primário ligado em série com o circuito de alta tensão. Os TC’s se
classificam de acordo com sua função em dois tipos: os de medição e os de
proteção. A Figura 9 mostra um transformador de corrente para medição em
230 KV.
Figura 9 - Transformador de corrente para medição em 230 KV
Os transformadores de potencial tem seu enrolamento primário usual-
mente conectado entre fase e terra e tem por finalidade reproduzir as tensões
da circuito de alta tensão. Em alguns casos os TP’s também são adotados
como fonte de potência necessária ao funcionamento de circuitos de comando
e controle dos demais componentes dos sistemas elétricos. Da mesma forma
que os TC’s, os TP’s se classificam quantoa sua função em TP’s de proteção e
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de medição. Os TP’s de medição tem menores classes de exatidão garantindo
valores mais precisos.
O custo dos transformadores de potencial está diretamente ligada a ten-
são do enrolamento de alta tensão, daí a razão de serem empregados em ex-
tra, ultra e alta tensão os transformadores de potencial capacitivos.
Um TP capacitivo é na verdade um divisor capacitivo com um transfor-
mador de potencial conectado num trecho inferior do divisor como pode ser
visualizado na Figura 10.
Figura 10 - Transformador de potencial capacitivo
Na Figura 11 é apresentada uma comparação do custo entre um trans-
formador de potencial capacitivo e indutivo. Observa-se que a partir de 245 kV
o preço de TP indutivo torna-se bem superior ao capacitivo. Uma outra razão
para se utilizar transformadores de potencial capacitivo num dado sistema elé-
trico é a utilização do “power line carrier” (PLC). Neste tipo de comunicação
um sinal de alta freqüência é emitido no próprio condutor, a utilização do TP
capacitivo facilita a filtragem e o recebimento deste sinal.
Capítulo 2 - Equipamentos Elétricos
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Figura 11 - Custo do TPI x TPC
De modo a evitar que os equipamentos discutidos anteriormente operem
em condições anormais, como por exemplo correntes de curto circuito, existem
pequenos dispositivos que supervisionam continuamente todas as grandezas
do sistema denominados relés. A aplicação e os ajustes destes relés para uma
atuação correta impedindo maiores danos ao sistema elétrico, faz parte de
uma área da engenharia elétrica denominada de proteção dos sistemas elétri-
cos.
A proteção dos sistemas elétricos tem duas funções:
· promover a rápida eliminação da falha, retirando do servi-
ço um equipamento com problemas,
· promover a indicação da localização e do tipo do defeito,
visando uma reparação mais rápida.
Existem relés para supervisionar corrente, tensão, potência e ainda
grandezas inerentes aos próprios equipamentos como temperatura de enrola-
mento de transformadores, velocidade de máquinas elétricas... Os relés ao
determinarem uma perturbação que venha a comprometer um dado equipa-
mento, enviam um sinal elétrico que comanda abertura de um disjuntor ou de
disjuntores de modo a que o trecho do sistema elétrico afetado seja isolado do
resto do sistema.
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5. DIAGRAMAS ELÉTRICOS
Os sistemas elétricos são projetados, construídos, analisados e opera-
dos com o auxílio de diagramas elétricos.
Os diagramas elétricos se dividem em dois tipos: explicativos e constru-
tivos. Os diagramas explicativos são aqueles cujos componentes são repre-
sentados por símbolos gráficos e tem a finalidade de permitir a visualização e
o entendimento de um dado sistema elétrico. Estes diagramas não apresentam
dimensões nem distâncias exatas entre os diversos equipamentos envolvidos.
Os diagramas explicativos estão divididos em três tipos:
· explicativos
 
Os diagramas unifilares são diagramas explicativos que se caracterizam
pela sua simplicidade. Nestes diagramas os sistemas elétricos são represen-
tados por apenas uma de suas fases e cada componente é representado na
posição desenergizado por um símbolo padronizado. Estes diagramas devem
conter obrigatoriamente os equipamentos elétricos principais, sendo os demais
componentes representados ou não.
Para o escopo deste curso destacaremos apenas os diagramas elétricos
unifilares. Estes diagramas são diagramas explicativos e se caracterizam pela
sua simplicidade. Nestes diagramas os sistemas elétricos são representados
por apenas uma de suas fases e cada componente é representado na posição
desenergizado por um símbolo padronizado.
Os diagramas unifilares são essenciais quando se precisa ter uma visu-
alização geral de um dado sistema elétrico e apresentam como desvantagem
não permitirem identificar facilmente a conexão dos enrolamentos entre fases e
entre fase e neutro.
Na figura 12 estão apresentados os principais símbolos adotados no
curso e a figura 13 mostra um exemplo de diagrama unifilar de um sistema
elétrico.
· unifilares
· multifilares
· funcionais
Capítulo 2 - Equipamentos Elétricos
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Os diagramas construtivos são diagramas utilizados para apresentar a
disposição dos equipamentos dentro de uma instalação, dimensões em escala
dos equipamentos, vistas plantas e cortes dos sistemas elétricos. Eles mos-
tram como os sistemas elétricos estão instalados fisicamente. Os diagramas
construtivos estão também divididos em três tipos:
 
· construtivos
· vistas
· cortes
· plantas
Figura 12 – Simbologia adotada neste texto
Figura 13 - Exemplo de diagrama unifilar para um sistema elétrico
Capítulo 2 - Equipamentos Elétricos
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6. BIBLIOGRAFIA
[1] Caminha, A. - Proteção de Sistemas Elétricos
[2] Robba, E. J. – Introdução a Sistemas de Potência
[3] Stevenson, W. D. – Elementos de Analise de Sistemas de Potência
[4] Fitzgerald, A. E. - Máquinas Elétricas
[5] Elgerd, Olle – Introdução à Teoria de Sistemasde Energia Elétrica
[6] Turelli, A. – Voltage Transformer