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CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 1 APOSTILA DE GTD TÉCNICO EM ELETROTÉCNICA MÓDULO III Professor(a) CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 2 GERAÇÃO DE ENERGIA FONTES DE ENERGIA: ENERGIA EÓLICA Os moinhos de ventos são velhos conhecidos nossos, e usam a energia dos ventos, isto é, eólica, não para gerar eletricidade, mas para realizar trabalho, como bombear água e moer grãos. A energia eólica é produzida pela transformação da energia cinética dos ventos em energia elétrica. A conversão de energia é realizada através de um aerogerador que consiste num gerador elétrico acoplado a um eixo que gira através da incidência do vento nas pás da turbina. A instalação de turbinas eólicas tem interesse em locais em que a velocidade média anual dos ventos seja superior a 3,6 m/s. ENERGIA SOLAR A energia fotovoltaica é fornecida de painéis contendo células fotovoltaicas ou solares que sob a incidência do sol geram energia elétrica. A energia gerada pelos painéis é armazenada em bancos de bateria, para que seja usada em período de baixa radiação e durante a noite. A conversão direta de energia solar em energia elétrica é realizada nas células solares através do efeito fotovoltaico, que consiste na geração de uma diferença de potencial elétrico através da radiação. O efeito fotovoltaico ocorre quando fótons (energia que o sol carrega) incidem sobre átomos (no caso átomos de silício), provocando a emissão de elétrons, gerando corrente elétrica. Este processo não depende da quantidade de calor, pelo contrário, o rendimento da célula solar cai quando sua temperatura aumenta. O uso de painéis fotovoltaicos para conversão de energia solar em elétrica é viável para pequenas instalações, em regiões remotas ou de difícil acesso. É muito utilizada para a alimentação de dispositivos eletrônicos existentes em foguetes, satélites e astronaves. CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 3 ENERGIA DAS MARÉS A energia das marés é obtida de modo semelhante ao da energia hidrelétrica. Constrói-se uma barragem, formando-se um reservatório junto ao mar. Quando a maré é alta, a água enche o reservatório, passando através da turbina e produzindo energia elétrica, e na maré baixa o reservatório é esvaziado e água que sai do reservatório, passa novamente através da turbina, em sentido contrário, produzindo energia elétrica. No Brasil temos grande amplitude de marés, por exemplo, em São Luís, na Baia de São Marcos (6,8m), mas a topografia do litoral inviabiliza economicamente a construção de reservatórios. COGERAÇÃO Co-geração é definida como o processo de transformação de uma forma de energia em mais de uma forma de energia útil, de acordo com Oddone (2001), adendando que as formas de energia útil mais freqüentes são a energia mecânica (movimentar máquinas, equipamentos e turbinas de geração de energia elétrica) e a térmica (geração de vapor, frio ou calor). O mesmo autor salienta que a co-geração apresenta alta eficiência energética, pois não há o desperdício de energia térmica (como ocorre nas termoelétricas puras), pois essa energia é utilizada em processos industriais, como secagem, evaporação, aquecimento, cozimento, destilação, etc. CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 4 TIPOS DE USINAS USINA HIDRELÉTRICA Atualmente, mais de 90% da energia gerada nas usinas brasileiras é proveniente de usinas hidrelétricas. Observa-se que o Brasil apresenta um potencial hidráulico muito grande. A maior hidrelétrica do mundo é a Itaipu Binacional com capacidade de geração de 12.600 MW. As usinas hidrelétricas (ou hidroelétricas) são sistemas que transformam a energia contida na correnteza dos rios, em energia cinética que irá movimentar uma turbina e, esta um gerador que, por fim, irá gerar energia elétrica. A construção da usinas hidrelétricas se dá sempre em locais onde podem ser aproveitados os desníveis naturais dos cursos dos rios e deve-se ter uma vazão mínima para garantir a produtividade. De acordo com o potencial de geração de energia podemos classificar as hidrelétricas em: PCH’s, ou Pequenas Centrais Hidrelétricas, que operam em uma faixa de geração de 1 a 30 MW e com um reservatório de área inferior a 3km²; e GCH’s, ou Grandes Centrais Hidrelétricas, que operam com potências acima de 30MW. Os principais componentes das usinas hidrelétricas, também são quase sempre os mesmos: a barreira, ou represa, onde fica armazenada a água que irá gerar a energia e é, na maioria das vezes, aproveitado para atividades de lazer pela população, assim como, é também o maior responsável pelo impacto ambiental de uma usina; o canal, por onde a água passa assim que a porta (ou comporta) de controle é aberta enviando água para o duto que a levará às turbinas; turbinas, geralmente do tipo “Francis” (com várias lâminas curvas em um disco que ao serem atingidas pela água, giram em torno de um eixo) e que fazem cerca de 90 rpm (rotações por minuto); geradores, eles possuem uma série de ímãs que produzem corrente elétrica; um transformador elevador, que aumenta a tensão da corrente elétrica até um nível adequado à sua condução até os centros de consumo; fluxo de saída, (ou tubo de sucção) que conduz a água da turbina até a jusante do rio; e as linhas de transmissão, que distribuem a energia gerada. As hidrelétricas podem receber classificações ainda, de acordo com o tipo de queda ou o tipo de reservatório, mas o princípio de funcionamento é o mesmo: a água que se encontra represada armazena energia potencial, ao abrir as compotas da usina, a energia potencial da água vai sendo convertida em energia cinética à medida que ela vai escoando pelos CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 5 dutos. Ao entrar em contato com as turbinas, as mesmas começam a girar dando origem à força eletromotriz induzida, processo este que consiste na conversão da energia cinética das turbinas em energia elétrica, pois em razão da fem (força eletromotriz) será estabelecida uma corrente elétrica entre dois pontos. USINA TERMOELÉTRICA As Usinas Termo-Elétricas mais conhecidas como Usinas Térmicas são as preferidas no mundo todo, pela sua versatilidade. São de construção simples e rápida, podem ser instaladas junto aos centros de consumo e dispensam Linhas de Transmissão de longo percurso. Nos países de primeiro mundo, cerca de 70% da energia elétrica é produzida em usinas desse tipo. O custo de produção do quilowatt é maior (o dobro, em média) que o de uma usina hidro-elétrica porém bem menor que o de uma usina nuclear. A grande desvantagem da usina térmica é a grande produção do dióxido de carbono CO2 e de rfuligem que forma uma névoa preta que mancha as roupas, móveis e pessoas. Como se sabe, o dióxido de carbono é um gás que produz o efeito estufa que está aumentando a temperatura média da terra. Outra desvantagem é que este tipo de usina usa combustível fóssil, isto é, petróleo, carvão mineral e xisto, fontes que estão se esgotando rapidamente. Chamam-se Termo-Elétricas por que são constituídas de 2 partes, uma térmica onde se produz muito vapor a altíssima pressão e outra elétrica onde se produz a eletricidade. Geralmente é composta de: um Reservatório (para o combustível a ser utilizado), uma Caldeira, uma Turbina, um Gerador, um Transformador e uma Linha de Transmissão. Funciona com algum tipo de combustível fóssil como petróleo, gás natural ou carvão é queimado na câmara de combustão,transformando a água em vapor com o calor gerado na caldeira. A potência mecânica obtida pela passagem do vapor através da turbina - fazendo com que esta gire - e no gerador - que também gira acoplado mecanicamente à turbina - é que transforma a potência mecânica em potência elétrica. A energia assim gerada é levada através de cabos ou barras condutoras, dos terminais do gerador até o transformador elevador, onde tem sua tensão elevada para adequada condução, através de linhas de transmissão, até os centros de consumo. Daí, através de transformadores abaixadores, a energia tem sua tensão levada a níveis adequados para utilização pelos consumidor. Há vários tipos de usinas termoelétricas, sendo que os processos de produção de energia são praticamente iguais porém com combustíveis diferentes. Alguns exemplos são: CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 6 Usina a óleo combustível; Usina a gás: usa gás natural como o combustível para alimentar uma turbina de gás. Porque os gases produzem uma alta temperatura atraves da queima, e são usados para produzir o vapor para mover uma segundo turbina, e esta por sua vez de vapor. Como a diferença da temperatura, que é produzida com a combustão dos gases liberados torna-se mais elevada do que uma turbina do gás e por vapor, portanto os rendimentos obtidos são superiores, da ordem de 55%; Usina a carvão; Usina nuclear. Assim, estas podem eventualmente ser menos rentáveis que as hidroelétricas. USINA NUCLEAR A usina nuclear (ou termonuclear) difere da Térmica Convencional basicamente quanto à fonte de calor; enquanto em uma térmica convencional queima-se óleo, carvão ou gás na caldeira, em uma Usina Nuclear usa-se o potencial energético do urânio para aquecer a água que circula no interior do reator. Uma Usina Nuclear possui três circuitos de água: primário, secundário e de água de refrigeração. Esses circuitos são independentes um do outro; ou seja, a água de cada um deles não entra em contato direto com a do outro. No interior do vaso do reator, que faz parte do circuito primário, a água é aquecida pela energia térmica liberada pela fissão dos átomos de urânio. A fissão nuclear é o rompimento de um núcleo bombardeado por um neutron e nesse rompimento é gerado uma grande energia e mais neutrons que vão se colidindo e rompendo outros nucleos, o que mantém o processo. O calor dessa água é transferido para a água contida no gerador de vapor, que faz parte do circuito secundário. O vapor então produzido é utilizado para movimentar a turbina, a cujo eixo está acoplado o gerador elétrico, resultando então em energia elétrica. A água do circuito primário é aquecida até cerca de 305o C; sua pressão é mantida em torno de 157 kgf/cm2 (1kgf/cm2 = 1 atmosfera), para que permaneça no estado líquido. Para se ter uma idéia deste valor de pressão, vale lembar que 1 kgf/cm2 é uma pressão equivalente a uma coluna de 10 m de água, logo 157 Kgf/cm2 é equivalente a uma coluna de aproximadamente 1,5 km. O vapor é condensado através de troca de calor com a água de refrigeração. A água condensada é bombeada de volta ao gerador de vapor, para um novo ciclo. Com o objetivo de controlar a reação em cadeia são inseridas Barras de Controle no Núcleo do Reator. Essas Barras são constituídas de uma liga de Prata, Cádmio e Índio e têm a propriedade de absorver neutrons, diminuindo assim o número de fissões. Através de inserção ou retirada das Barras de Controle podemos manter constante a população de neutrons e, conseqüentemente, a potência térmica do reator. Outra forma de controlar as fissões é a adição de Ácido Bórico à água no interior do reator. Esse produto é usado devido à propriedade que possui os seus átomos de absorver os neutrons situados na faixa de energia que provocaria fissões. Aumentando ou diminuindo a CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 7 concentração de boro no refrigerante do reator fazemos o controle para termos maior ou menor número de fissões. TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA INTRODUÇÃO Linhas de Transmissão (LT) são condutores através dos quais energia elétrica é transportada de um ponto transmissor a um terminal receptor. As linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica são exemplos típicos. A partir da usina a energia é transformada, em subestações elétricas, e elevada a níveis de tensão (69/88/138/240/440 kV). Os sistemas de transmissão proporcionam à sociedade um benefício reconhecido por todos: o transporte da energia elétrica entre os centros produtores e os centros consumidores. Formas comuns de linhas de transmissão são: − Linha aérea em corrente alternada ou em corrente contínua com condutores separados por um dielétrico. − Linha subterrânea com cabo coaxial com um fio central condutor, isolado de um condutor externo coaxial de retorno. − Trilha metálica, em uma placa de circuito impresso, separada por uma camada de dielétrico de uma folha metálica de aterramento, denominado microtrilha (microship). As linhas de transmissão podem variar em comprimento, de centímetros a milhares de quilômetros. As linhas com centímetros de comprimento são usadas como parte integrante de circuitos de alta freqüência, enquanto que as de milhares de quilômetros para o transporte de grandes blocos de energia elétrica. CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 8 As freqüências envolvidas podem ser tão baixas quanto 50 Hz ou 60 Hz para linhas de transporte de grandes blocos de energia ou tão altas como dezenas de GHz para circuitos elétricos utilizados na recepção e amplificação de ondas de rádio. Em freqüências muito altas (VHF), o sistema de transmissão utilizado pode ser os guias de ondas. Estes podem estar na forma de tubos metálicos retangulares ou circulares, com a energia elétrica sendo transmitida como uma onda caminhando no interior do tubo. Guias de ondas são linhas de transmissão na forma de apenas um condutor. A teoria básica de LTs pode ser aplicada a qualquer das modalidades de linhas mencionadas. Entretanto, cada tipo de linha possui propriedades diferentes que dependem de: Freqüência, Nível de tensão, Quantidade de potência a ser transmitida, Modo de transmissão (aéreo ou subterrâneo), Distância entre os terminais transmissor e receptor, etc. Os assuntos aqui tratados estão direcionados para linhas de transmissão de potência. O sistema de transmissão de energia elétrica compreende toda rede que interliga as usinas geradoras às subestações da rede de distribuição. Eletricidade é em geral transmitida a longas distâncias através de linhas de transmissão aéreas. A transmissão subterrânea é usada somente em áreas densamente povoadas devido a seu alto custo de instalação e manutenção, e porque a alta potência reativa produz elevadas correntes de carga e dificuldades no gerenciamento da tensão. COMPONENTES DE UMA LINHA DE TRANSMISSÃO Os componentes básicos de uma linha de transmissão aérea são: Condutores, Isoladores, Estrutura de Suporte, e Pára-raios. CONDUTORES Características necessárias para condutores de LTs: Alta condutibilidade elétrica. A resistência elétrica de um condutor depende: Natureza e pureza do material condutor, que determina a sua resistividade ρ [Ω.m]. Comprimento, o encordoamento aumenta em cerca de 1 a 2% o comprimento dos condutores com um aumento de resistência da mesma ordem. Seção transversal útil Temperatura Freqüência Baixo custo. Boa resistência mecânica. Baixo peso específico. Alta resistência à oxidação e corrosão. Os materiais condutores mais empregados para as LTs são: Cobre – depois do ferro,o cobre é o metal de maior uso na indústria elétrica. Alumínio – possui propriedades mecânicas e elétricas que o tornam de fundamental importância em certas aplicações da engenharia elétrica. As jazidas de alumínio são maiores que as de cobre. A) Cobre A.1 Obtenção do Cobre: – Fonte primária: minérios – Pureza dos minérios de cobre: 3,5% a 0,5% CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 9 – Pureza do cobre para fins elétricos: 99,99% A.2 Classes de Cobre: – Cobre eletrolítico: classe de cobre mais puro (99,99%, ρ=0,01639Ωmm2/m). – Cobre recozido: adotado como o cobre padrão nas transações comerciais (ρ=0,01724Ω.mm2/m) e normalmente usado em escala industrial. – Cobre semiduro. – Cobre duro: usados em alimentadores (97,3% de condutibilidade) – Cobre duro telefônico. A.3 Características do Cobre − Cor avermelhada, o que o distingue de outros metais que, com exceção do ouro, são geralmente cinzentos com diversas tonalidades. − Depois da prata é o melhor condutor de corrente elétrica e calor. − Muito dúctil e maleável. A ductibilidade é a propriedade de um material de sofrer deformações permanentes numa determinada direção sem atingir a ruptura. Indica a maior ou menor possibilidade do material ser estirado ou reduzido a fios. o A maleabilidade é a capacidade do material de sofrer grandes deformações permanentes, em todas as direções, sem atingir a ruptura. − Quando estirado a frio duplica sua resistência mecânica e dureza. − Não é atacado pela água pura a qualquer temperatura. − Resiste bem à ação da água, de fumaças, sulfatos, carbonatos, sendo atacado pelo oxigênio do ar e, em presença deste, ácidos, sais e amoníaco podem corroer o cobre. − Os agentes atmosféricos (óxido de enxofre – SO2) formam em sua superfície uma película verdosa, constituída por sulfato de cobre, formando uma camada protetora, o que reduz o processo de oxidação a 1μ/ano, aproximadamente, mas prejudica os contatos elétricos devido à alta resistividade. − Quando aquecido em presença do ar, à temperatura acima de 120ºC, forma uma película de óxido (camada escura). A.4 Vantagens do Cobre − Baixa resistividade (0,0172Ωmm2/m do Cu recozido). − Características mecânicas favoráveis. − Baixa oxidação – oxidação lenta perante elevada umidade em relação a diversos outros metais; oxidação rápida a temperatura acima de 120o C. − Fácil deformação a frio e a quente. − Alta resistência à corrosão. − Permite fácil soldagem. B) Alumínio B.1 Obtenção do Alumínio Fonte primária: minérios de bauxita que é transformada em alumina (óxido de alumínio) e então por um processo de redução obtém-se o alumínio. B.2 Características do Alumínio − Cor branca prateada − Pequena resistência mecânica − Grande ductibilidade e maleabilidade − A soldagem não é fácil − Grande afinidade pelo oxigênio do ar − É atacado pelo ácido sulfúrico, ácido clorídrico, ácido nítrico diluído e por soluções salinas. O alumínio é inferior ao cobre tanto elétrica quanto mecanicamente e estão separados eletroquimicamente por 2 V. C) Ligas Metálicas e Condutores Compostos − Ligas de Cobre: copperweld − Ligas de Alumínio: allumoweld. CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 10 − ACSR (Aluminium Core Steel Reinforced) ou CAA (Cabos de Alumínio-Aço) Um aumento no diâmetro externo nos condutores compostos de açoalumínio, comparado ao do condutor de cobre de mesma condutividade, é uma vantagem em linhas de transmissão uma vez que se tem reduzida a possibilidade de descarga corona devido ao decréscimo do campo elétrico na superfície do condutor (V=∫ E.dr). A utilização quase que exclusiva de condutores de alumínio com alma de aço, no Brasil, vem sendo, de longa data, objeto de questionamentos. A motivação fundamental reside no fato de que as condições climáticas brasileiras são mais amenas do que as encontradas no hemisfério norte, já que neve e gelo não problemas mensuráveis e que as velocidades máximas de vento nunca atingem os níveis de tufões ou ciclones. Nesse sentido, é relevante que condutores mais leves, com maiores relações alumínio/aço, ou mesmo outros tipos de condutores, como por exemplo, o alumínio puro ou liga de alumínio, tenham a sua utilização avaliada, uma vez que resultariam em menores esforços estruturais e possíveis reduções do custo global das linhas de transmissão. ISOLADORES Com relação aos condutores, os isoladores têm a função de: – Suspensão – Ancoragem (fixar) – Separação Os isoladores são sujeitos a solicitações mecânicas e elétricas. Solicitações Mecânicas: • Forças verticais pelo peso dos condutores • Forças horizontais axiais para suspensão • Forças horizontais transversais pela ação dos ventos Solicitações Elétricas: • Tensão nominal e sobretensão em freqüência industrial • Oscilações de tensão de manobra • Transitórios de origem atmosférica Os isoladores devem oferecer uma alta resistência para correntes de fuga de superfície e ser suficientemente espesso para prevenir ruptura sob as condições de tensão que devem suportar. Para aumentar o caminho de fuga e, portanto a resistência de fuga, os isoladores são construídos com curvas e saias. Configuração de isoladores: • Isoladores de pino • Isoladores de disco - usados para tensões acima de 70kV. O número de isoladores depende da tensão: 110kV (4 a 7 discos), 230kV (13 a 16 discos). Tensões acima de 500Kv usam feixes de isoladores. CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 11 • Isoladores de suspensão • Isoladores tipo pilar de subestação e de linha (station & line post insulators) Material: − Porcelana vitrificada − Vidro temperado − Polímeros em borracha de: � EPDM (Etileno Propileno Dieno Monomérico) � Silicone CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 12 Porcelana vitrificada Os materiais cerâmicos se caracterizam, em geral, pelo preço baixo,por um processo de fabricação relativamente simples, e por características elétricas ou dielétricas, térmicas e mecânicas vantajosas que podem apresentar quando o processo de fabricação é bem cuidado. Composição da cerâmica: − Argila − Caolim − Quartzo – componente que influi termicamente; quanto maior sua porcentagem, maior é a temperatura suportada pela porcelana. − Feldspato – componente que define o comportamento isolante como rigidez dielétrica, fator de perdas, etc. O recobrimento com verniz, cuja base é a mesma da porcelana, se destina a vitrificar a superfície externa da porcelana que, embora não porosa, apresenta certa rugosidade que pode ser prejudicial durante o uso da porcelana em corpos isolantes, sujeitos à deposição de umidade, poeira, etc. O verniz ao recobrir o corpo da porcelana torna-o liso e brilhante, com o que se eleva a resistência superficial de isoladores ao ar livre. Vidro O vidro é basicamente composto de óxido de silício e óxido de boro, nas formas SiO2 e B2O3; acrescenta-se a esses dois uma grande série de aditivos, tais como os óxidos alcalinos K2O e Na2O, que influem, sobretudo no valor da temperatura de fusão do material. Os diversos componentes do vidro variam as características do vidro em função da composição. Também tratamentos térmicos posteriores (têmpera) influem acentuadamente em particular no que se refere a suas características mecânicas. A têmpera do vidro adquire importância particular na área dos isoladores, tipo disco e pedestal, devido à presença de esforços mecânicos acentuados. Pela têmpera, a camada externa do vidro sofre uma contração acentuada, o que faz predominarem na “casca” externa, os esforços de compressão. Polímeros Características dos Polímeros:– Excelente hidrofobicidade. – Excelente resistência ao trilhamento elétrico (tracking). – Excelente desempenho sob poluição – o perfil e a maior distância de escoamento do isolador permitem reduzir a corrente de fuga e, portanto as perdas de energia. – Resistente ao efeito de erosão mesmo quando o isolador estiver submetido a uma forte poluição. – Impenetrabilidade – podem ser lavados sob alta pressão. – Resistência ao envelhecimento devido aos raios ultravioleta, temperatura, poluição, ozônio, com alta durabilidade. – Resistente ao arco elétrico. – A maleabilidade das aletas de borracha, associada à elevada resistência do núcleo central e a silhueta delgada garante incomparável desempenho destes isoladores em regiões de vandalismo. – Instalação rápida, simples e de menor custo. – Pesa até 13 vezes menos que uma cadeia de isoladores convencionais. Estruturas CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 13 As dimensões e formas de estruturas de LTs dependem: − Disposição dos condutores: triangular, horizontal, vertical. − Distância entre condutores. − Dimensões e forma de isolamento. − Número de circuitos. − Materiais estruturais: ° Estruturas metálicas de aço revestido com zinco (aço galvanizado) – proteção que atende à maioria das condições de agressividade atmosférica. O revestimento é obtido através de imersão em banho de zinco e as suas principais características – espessura, uniformidade, e aderência – dependem da preparação superficial, temperatura e composição do banho, tempo de imersão, velocidade de remoção da peça e composição do aço. ° Concreto armado ° Madeira ° Fibras de vidro As estruturas metálicas para linhas de alta-tensão (torres de transmissão de energia elétrica) devem atender, na medida do possível, à alguns dos principais quesitos: 1) Fundações econômicas; 2) Facilidade de montagem; 3) Custo reduzido da estrutura; 4) Menor poluição visual; 5) Maior resistência ao fogo e à ferrugem; 6) Maior dificuldade de furto. Faixa de Servidão: Nas proximidades da torre pode-se: Transitar livremente pela faixa de servidão (faixa de segurança), inclusive com veículos de pequeno e médio portes; Implantar e manejar pastagens ao longo do ano; Fazer plantios convencionais de lavouras como feijão, milho, sorgo e mandioca e de frutíferas de pequeno porte como abacaxi, melão, melancia e maracujá; Manter a área da faixa de servidão da sua propriedade em pousio, se assim o desejar. Condutores Neutros Localizados no topo da torre da linha, são usados como escudos (proteção) da linha, interceptando as descargas atmosféricas que do contrário incidiriam diretamente sobre a linha. Podem ser: CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 14 − Solidamente aterrados – forma mais comum. − Isolados através de isoladores de baixa capacidade de ruptura. Material dos condutores de blindagem − Aço − Liga de alumínio A utilização de fibra ótica em cabos pára-raios (OPGW – Optical Ground Wire) quer seja incorporada ao núcleo do cabo, ou espiralada externamente, constitui numa modalidade de co-utilização do sistema de transmissão e comunicação nos serviços de telefonia e transmissão de dados. A grande vantagem dessa associação reside na alta confiabilidade na transmissão e recepção via fibra ótica e na quantidade potencial de canais disponíveis. Considerações de Planejamento e Projeto de uma Linha de Transmissão O planejamento da transmissão de energia a grandes distâncias requer uma análise ampla de aspectos que consideram: Cenários de mercado. Cenários de geração. Quantidade de potência ativa a transmitir. Desenvolvimento tecnológico – novas tecnologias. Desenvolvimento industrial – tecnologias disponíveis para o uso. Engenharia – pessoal e máquinas necessários à implantação das alternativas selecionadas. Custo da linha. Meio ambiente – estética, interação com o meio ambiente, e facilidade para instalação/manutenção. As linhas causam distúrbios no meio ambiente ao longo de suas rotas e nas áreas em que são implantadas. A seguir, os diversos impactos que podem ser causados pelas linhas de transmissão e pelas subestações. Estudo de Impacto Ambiental – EIA e o respectivo Relatório de Impacto Ambiental – RIMA são necessários ao licenciamento de linhas de transmissão para avaliação do impacto sócio-ambiental do empreendimento. Impactos Devido À Ocupação do Solo A largura das faixas de segurança ou de servidão2 das linhas é função das distâncias verticais e horizontais entre os condutores e entre estes e o solo, e também dos níveis permitidos de campo elétrico e magnético ao nível do solo. Usualmente, se estabelecem restrições à ocupação do solo nestas faixas, o que pode envolver o remanejamento de seus ocupantes. A exploração da faixa de servidão de uma linha é obtida mediante a declaração de utilidade pública de uma faixa de terra. A declaração, com finalidade de servidão administrativa, permitirá às empresas realizar a instalação da estrutura de transmissão mediante acordo de uso da terra com seus respectivos proprietários. Durante a fase de construção, os impactos são devidos à: − Abertura de estradas de acesso − Implantação do canteiro de obras − Desobstrução da faixa − Escavações para as fundações − Montagem das estruturas − Lançamento dos cabos condutores Essas atividades envolvem movimentação de terra, trânsito de máquinas e equipamentos e, dependendo do tipo de terreno, desmatamentos e desmonte de rochas. Caso não sejam adequadamente planejadas e monitoradas, podem provocar erosão dos solos e, temporariamente interrupção de tráfego, transtorno às populações vizinhas devido ao ruído e à poeira, destruição de habitats naturais, etc. CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 15 Impactos Devidos Aos Efeitos Elétricos - Efeitos dos Campos Elétricos e Magnéticos - Efeito Corona - Transferência de Potencial Impacto Visual O impacto visual de uma linha de transmissão decorre principalmente da repetição contínua de torres e condutores ao longo da linha de visão. Na especificação de um sistema de transmissão diversas hipóteses são levadas em consideração, a fim de garantir um padrão de qualidade técnica e econômica. Tais considerações resultam em definições, entre outras de: � Modo de transmissão: ac ou dc, aéreo ou subterrâneo. � Nível de tensão � Número de circuitos em paralelo O número de circuitos de um tronco de transmissão é intrinsecamente relacionado com a questão da confiabilidade do suprimento. De uma maneira geral, deve-se prever mais de um circuito para o tronco de forma que, caso haja perda de um deles, o suprimento não seja interrompido. � Equipamentos de compensação de potência reativa série e paralela, etc. A compensação de reativos em linhas de transmissão tem por objetivo: a) Diminuir as perdas b) Diminuir o incremento da circulação de potência reativa na rede c) Melhorar o perfil de tensão � Seccionamento de linhas O seccionamento permite que se disponha de pontos intermediários ao longo dos troncos de transmissão aos quais se podem conectar cargas ou usinas. O seccionamento permite o suprimento a cargas locais e enseja a inserção regional do sistema. Algumas soluções tecnológicas apresentam custos elevados ou mesmo impossibilidade nesse sentido. Tecnologias como a meia onda e a corrente contínua têm vocação para se constituírem em sistemas ponto-a-ponto, muito embora na transmissão em corrente contínua já existam em operação no mundo sistemas multiterminais. � Pontos de chegada nas regiões receptoras A chegada de grandes blocos de potência em um mesmo ponto, conseqüência natural daadoção de troncos de alta capacidade, poderá resultar em problemas de absorção da potência pelo sistema receptor, prevendo-se a necessidade de linhas de menor tensão para distribuir a energia para os centros de carga regionais. � Corredores prováveis. MANUTENÇÃO DAS LINHAS DE TRANSMISSÃO Inspeção de Linhas de Transmissão Neste processo são verificados: o estado da estrutura e seus elementos, a altura dos cabos elétricos, condições da faixa de servidão e a área ao longo da extensão da linha de domínio. As inspeções são realizadas periodicamente por terra ou por helicóptero. Manutenção de Linhas de Transmissão • Substituição e manutenção de isoladores (dispositivo constituído de uma série de “discos”, cujo objetivo é isolar a energia elétrica da estrutura); • Limpeza de isoladores; • Substituição de elementos pára-raios; • Substituição e manutenção de elementos das torres e estruturas; • Manutenção dos elementos sinalizadores dos cabos; • Desmatamento e limpeza de faixa de servidão, etc. CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 16 SUBESTAÇÕES As interações eletromecânicas e as interligações físicas entre essas citadas áreas de produção, transmissão e de distribuição de energia elétrica, são realizadas através de centros, onde se processam as transformações de potências, os chaveamentos e manobras de circuitos desse sistema de transmissão, envolvendo as funções de controle e supervisão, (medição e proteção) nos fluxos dessa energia passante e/ou transformada e ainda, centros onde ocorrem as principais tomadas de decisão sobre as condições operativas por eles monitoradas. Tais centros operativos são os que convencionalmente denominamos de Subestações Elétricas( SE’s ).Podemos associar o termo Subestação Elétrica, a um conceito similar, ao de um centro geométrico interativo de operações, estabelecido sobre uma dada instalação,onde existe uma maior concentração de equipamentos de manobras, de transformações e de controles de um dado sistema elétrico.Alternativamente, podemos também dizer que se trata de um local, onde existe um conjunto de componentes elétricos, utilizados para dirigir e controlar o fluxo de energia deste sistema, procurando garantir de forma contínua e segura, o transporte desse fluxo, vinculando as suas fontes de produção e de transmissão aos seus mais diversificados centros de consumo. Para que isso possa ocorrer, essas SE’s são providas hoje, de uma sofisticada estrutura de controle, realizada através de uma enorme quantidade de recursos computacionais, que auxiliam os seus processos supervisivos, os quais, operando em tempo real, monitoram as medições, as funções de controle, os alarmes, as proteções,os diversificados comandos, etc.Assim, se faz necessária, uma monitoração nas medições das principais grandezas de interesse do sistema controlado, intervindo ou atuando sobre o mesmo,através de elaborados sistemas de proteção, controle e comando, que serão ativados toda vez que eventuais perturbações venham a colocar em risco, a segurança, a continuidade e a qualidade do sistema operacional, ou ainda, a estrutura física ou parte dela e até mesmo, a vida útil de um equipamentos ou componente dessa instalação.Em geral, conforme já mencionado, essas SE’s onde ocorrem transformações de potência e de tensão se interpõem entre os centros de produção e os de transmissão de energia elétrica, provendo elevações, controles e transformações nos níveis de tensões geradas, ( subestações elevadoras de tensão) bem como, de forma análoga,entre os terminais de transmissão e os centros de distribuição ( subestações abaixadoras de tensão), provendo neste caso, a redução nos níveis da tensão transmitida, permitindo em ambos casos, chaveamentos com mudanças de fluxos,monitorações devidas e conseqüentemente, uma distribuição segura da energia envolvida. Analogamente, uma SE de chaveamento e manobras é constituída de dois ou mais circuitos de entrada e saída, que em geral são as linhas de transmissão (LT’s),oriundos de um sistema de transmissão, que lhes debita em seu ponto de conexão comum (barramento), uma capacidade de curto-circuito, a qual irá assumir uma importância fundamental, para as especificações de equipamentos e outras análises operacionais existentes no restante do sistema, conforme será visto posteriormente. CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 17 Classificação das Subestações A) Quanto à Função: SE de Manobra Permite manobrar partes do sistema, inserindo ou retirando-as de serviço, em um mesmo nível de tensão. SE de Transformação SE Elevadora • Localizadas na saída das usinas geradoras. • Elevam a tensão para níveis de transmissão e sub-transmissão para transporte econômico da energia. SE Abaixadora • Localizadas na periferia das cidades. • Diminuem os níveis de tensão evitando inconvenientes para a população como: rádio interferência, campos magnéticos intensos, e faixas de passagem muito largas. SE de Distribuição: Diminuem a tensão para o nível de distribuição primária (13,8kV – 34,5kV). Podem pertencer à concessionária ou a grandes consumidores. SE de Regulação de Tensão Através do emprego de equipamentos de compensação tais como reatores, capacitores, compensadores estáticos, etc. SE Conversoras Associadas a sistemas de transmissão em CC (SE Retificadora e SE Inversora) B) Quanto ao Nível de Tensão: SE de Alta Tensão – tensão nominal abaixo de 230kV. SE de Extra Alta Tensão - tensão nominal acima de 230kV. C) Quanto ao Tipo de Instalação: - Subestações Desabrigadas - construídas a céu aberto em locais amplos ao ar livre. CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 18 - Subestações Abrigadas - construídas em locais interiores abrigados. - Subestações Blindadas Construídas em locais abrigados. Os equipamentos são completamente protegidos e isolados em óleo ou em gás (ar comprimido ou SF6). D) Quanto à Forma de Operação. a. Subestações com Operador i. Exige alto nível de treinamento de pessoal. ii. Uso de computadores na supervisão e operação local só se justifica para instalações de maior porte. b. Subestações Semiautomáticas i. Possuem computadores locais ou intertravamentos eletromecânicos que impedem operações indevidas por parte do operador local. c. Subestações Automatizadas i. São supervisionadas à distância por intermédio de computadores e SCADA (Supervisory Control and Data Acquisiton). Localização de Subestações Considerações quanto a escolha de local para instalação de SE: Localização ideal: centro de carga; Facilidade de acesso para linhas de sub-transmissão (entradas) e linhas de distribuição (saídas) existentes e futuras; Espaço para expansão; Regras de uso e ocupação do solo; Minimização do número de consumidores afetados por descontinuidade de serviço; etc. Equipamentos de uma Subestação São vários os equipamentos existentes em uma SE, tais como: − Barramentos − Linhas e alimentadores − Equipamentos de disjunção: disjuntores, religadores, chaves. − Equipamentos de transformação: transformadores de potência, transformadores de instrumentos – transformador de potencial e de corrente, e transformador de serviço. − Equipamentos de proteção: relés (primário, retaguarda e auxiliar), fusíveis, para-raios e malha de terra. − Equipamentos de compensação: reatores, capacitores, compensadores síncronos, compensadores estáticos. Em uma subestação cada equipamento é identificado por um código que identifica o tipo de equipamento, faixa de tensão, e a posição dentro da subestação. As subestações (SE) são compostas por conjuntos de elementos, com funções específicas no sistema elétrico, denominadosvãos (bays) que permitem a composição da subestação em módulos. As SE distribuidoras, usualmente, são compostas pelos seguintes vãos: entrada de linha (EL); saída de linha (SL); barramentos de alta e média tensão (B2 e B1); vão de transformação (TR); banco de capacitor ou vão de regulação (BC) e saída de alimentador (AL). Cada vão da subestação deve possuir dispositivos de proteção (relés) e equipamento de disjunção com a finalidade de limitar os impactos proporcionados por ocorrências no sistema elétrico tais como: descargas atmosféricas, colisão, falhas de equipamentos, curtoscircuitos, etc. Em uma subestação os serviços auxiliares são de grande importância para a operação adequada e contínua da SE. Os serviços auxiliares são do tipo: Serviços Auxiliares de Corrente Alternada CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 19 Fonte: Transformador de Serviços Auxiliares - 13.800/380-220 V Carga: − Casa de Comando − Iluminação/Tomada do Pátio − Retificador, etc. Serviços Auxiliares de Corrente Contínua Fonte: Retificador/Carregador e Banco de Bateria - 125 Vcc. Cargas: − Componentes do Sistema Digital (relés, etc.) − Funcionais dos equipamentos; − Motores dos equipamentos. − Iluminação de emergência Como regra geral, as funções em uma subestação são: − Monitoração de "status" de equipamentos. − Medição. − Proteção de linha, transformadores, barra, reator, perda de sincronismo etc. − Supervisão das proteções. − Religamento automático. − Localização de falha na linha. − Telecomandos. − Proteção de falha de disjuntor. − Intertravamentos. − Monitoração de sobrecarga em transformadores. − Controle de tensão. − Fluxo de reativos. − Corte seletivo de cargas. − Sincronização. − Alarmes em geral. − Registro de sequência de eventos. − Oscilografia. − Interface humana. − Impressão de relatórios. − Interface com os Centros de Operação de Sistema. − Auto-diagnose. Barramentos Os barramentos são condutores reforçados, geralmente sólidos e de impedância desprezível, que servem como centros comuns de coleta e redistribuição de corrente. No desenvolvimento do projeto de uma subestação, devem ser considerados requisitos como disponibilidade, manutenibilidade, flexibilidade operacional do sistema e custo, que de acordo com o grau de complexidade requerido, existem inúmeras topologias de subestação que podem ser adotadas. A denominação arranjo ou topologia de uma SE é usada para as formas de se conectarem entre si as linhas, transformadores e cargas de uma subestação. A seguir serão apresentados os arranjos mais comuns para as SE: – Barramento simples – Duplo barramento simples – Barramento simples seccionado – Barramento principal e de transferência – Barramento duplo com um disjuntor – Barramento duplo com disjuntor duplo – Barramento duplo de disjuntor e meio – Barramento em anel A) Barramento Simples É a configuração mais simples, mais fácil de operar e menos onerosa, com um único disjuntor manobrando um único circuito. Todos os circuitos se conectam a uma mesma CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 20 barra. Pode ser também a configuração de menor confiabilidade, uma vez que uma falha no barramento provocará a paralisação completa da subestação. A designação de singelo se dá além de uma única barra, um único disjuntor para cada circuito, i.e., disjuntor singelo. Características: − Mais simples, mais econômico, e menos seguro; − A subestação possui uma só barra de AT e/ou BT; − Utilizado em SEs de pequena potência; − Todos os circuitos conectam-se a uma única barra com um disjuntor para cada circuito; − Recomendável apenas para o caso de se admitir cortes de fornecimento. B) Duplo Barramento Simples É indicado para instalações consumidoras com grupos de carga essenciais e não prioritárias. O intertravamento entre os disjuntores da fonte de emergência e da barra de cargas prioritárias previne a alimentação simultânea das cargas prioritárias pela fonte de emergência e concessionária. Características: − Indicado para instalações consumidoras que requerem alta confiabilidade para cargas essenciais; − Aceitam desligamentos rotineiros para cargas não essenciais; − Encontradas nas subestações consumidoras do tipo hospital, hotel e muitos tipos de indústria. C) Barramento Simples Seccionado O arranjo de barramento simples com disjuntor de junção ou barra seccionada consiste essencialmente em seccionar o barramento para evitar que uma falha provoque a sua completa paralisação, de forma a isolar apenas o elemento com falha da subestação. Quando o disjuntor de seccionamento está fechado a SE opera com transformadores em paralelo alimentando uma única barra. O arranjo da SE pode prover intertravamento entre os disjuntores de linha de modo que previna o disjuntor de barra ser fechado quando ambos disjuntores de linha estão fechados. Neste caso, quando um transformador está fora de serviço, com o fechamento do disjuntor de barra o arranjo torna-se de barra simples suprida pelo transformador são e uma lógica de gerenciamento da carga deve ser provida com desligamento de cargas não prioritárias. Características: − Presença de um disjuntor de barra; − Flexibilidade para manobras no ato da manutenção; − Este arranjo é indicado para funcionar com duas ou mais fontes de energia. E) Barramento Principal e de Transferência O barramento principal da subestação é ligado a um barramento auxiliar através de um disjuntor de transferência. A finalidade do disjuntor de transferência é garantir a proteção de um vão (entrada de linha ou saída de linha) quando o equipamento de disjunção principal (disjuntor ou religador) associado a este vão é retirado de serviço para manutenção. Em condições normais de funcionamento, o vão de entrada de linha supre a barra principal através do disjuntor principal e das chaves seccionadoras associadas a este disjuntor, que se encontram normalmente fechadas. Existe mais uma chave associada ao disjuntor de entrada de linha que é a de “by-pass” que se encontra normalmente aberta. Em uma situação de emergência, em que o disjuntor principal é retirado de serviço para manutenção, a entrada de linha é conectada à barra auxiliar através do fechamento da chave seccionadora de “bypass” e do disjuntor de transferência, após uma sequência de chaveamento pré-estabelecida pelo órgão de operação do sistema elétrico, assim o disjuntor de transferência substitui o disjuntor principal. CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 21 A transferência da proteção do disjuntor principal do vão para o disjuntor de transferência pode ser realizada através de uma função da transferência da proteção (função 43) ou através de mudança no ajuste do relé associado ao disjuntor de transferência. A função de transferência da proteção, genericamente denominada função 43, pode assumir um dos seguintes estados: Normal (N), Em Transferência (ET) e Transferido (T). Se o comando de abertura enviado pelo relé encontra a função 43 no estado N, o relé atua diretamente sobre o disjuntor principal. Caso a função 43 esteja na posição ET, o sinal de abertura é enviado para o disjuntor principal e para o disjuntor de transferência, e quando a função 43 está na posição T, o sinal enviado comanda a abertura somente do disjuntor de transferência. O relé multi-função de entrada de linha quando sente uma falta e esta atinge o valor de atuação da proteção (corrente de “pick-up”), envia um sinal de abertura (“trip”) para o disjuntor associado (disjuntor principal e/ou disjuntor de transferência), de acordo com a posição da função de transferência da proteção, Normal, Em Transferência e Transferido. F) BarramentoDuplo com um Disjuntor Arranjo para instalações de grande porte e importância. Normalmente o disjuntor entre barras é fechado mantendo a barra 2 com tensão ("quente") e com carga divididas entre as barras. A manutenção é feita sem a perda dos circuitos de linha de saída. Cada linha pode ser conectada a qualquer barra. Em caso de falta na barra 1, os disjuntores de linha de entrada abrem isolando a falta. O disjuntor de interligação de barras é então aberto e as chaves comandadas adequadamente de modo a transferir suprimento e carga para a barra 2. Se a falta ocorre na barra 2, o disjuntor de interligação de barras abre isolando a falta. G) Barramento Duplo com Disjuntor Duplo Cada circuito é protegido por dois disjuntores separados. Isto significa que a operação de qualquer disjuntor não afetará mais de um circuito. Este tipo de arranjo tem um alto nível de confiabilidade, mas é mais caro sua construção. A SE é suprida por linhas de sub-transmissão que alimentam a SE através de transformador com disjuntor de alta tensão. Há duas barras nesse arranjo de SE. O alimentador pode ser suprido por qualquer uma das barras. A barra principal é energizada durante operação normal e a barra de reserva é usada durante situações de manutenção e emergência. Se uma falta ocorre na barra principal, o disjuntor do lado de baixa tensão do transformador operará desenergizando a barra. O disjuntor normalmente fechado do alimentador primário ligado à barra principal é então manualmente aberto pela equipe de campo. Subsequentemente o suprimento é transferido para a barra reserva pelo fechamento do disjuntor alternativo do lado de baixa tensão do transformador e o correspondente disjuntor do alimentador primário. O serviço é interrompido durante o tempo em que é realizada a manobra manual. H) Barramento Duplo de Disjuntor e Meio Para subestação de transmissão, a configuração “disjuntor e meio” é a solução tradicional utilizada na maioria dos países. No arranjo em disjuntor e meio são três disjuntores em série ligando uma barra dupla, sendo que cada dois circuitos são ligados de um lado e outro do disjuntor central de um grupo. Três disjuntores protegem dois circuitos (isto é, existem 1. disjuntores por circuito) em uma configuração com dois barramentos. Neste caso, como existem duas barras, a ocorrência de uma falha em uma delas não provocará o desligamento de equipamento, mas apenas retirará de operação a barra defeituosa. A vantagem deste esquema é que qualquer disjuntor ou qualquer uma das duas barras pode ser colocado fora de operação sem interrupção do fornecimento. Para uma melhor compreensão da configuração de disjuntor e meio, imagine um circuito de entrada e um circuito de saída em que duas barras estão presentes, à semelhança da configuração anterior – barramento duplo. A fim de CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 22 garantir uma confiabilidade maior para o sistema, seriam necessários quatro disjuntores para dois circuitos com duas barras quando a configuração disjuntor e . não for adotada. Características: − Equivalente ao barramento duplo anterior, mas com uma importante simplificação; − Utilização de um disjuntor e meio para cada entrada e saída, ao contrário de dois disjuntores por circuito no arranjo anterior; − Mais econômico e tem praticamente a mesma confiabilidade; − É mais utilizado no Brasil nos sistemas de 500 kV e 765 kV. I) Barramento em Anel Barramento que forma um circuito fechado por meio de dispositivos de manobras. Este esquema também seciona o barramento, com menos um disjuntor, se comparada com a configuração de barramento simples seccionado. O custo é aproximadamente o mesmo que a de barramento simples e é mais confiável, embora sua operação seja mais complicada. Cada equipamento (linha, alimentador, transformador) é alimentado por dois disjuntores separados. Em caso de falha, somente o segmento em que a falha ocorre ficara isolado. A desvantagem é que se um disjuntor estiver desligado para fins de manutenção, o anel estará aberto, e o restante do barramento e os disjuntores alternativos deverão ser projetados para transportar toda a carga. Cada circuito de saída tem dois caminhos de alimentação, o tornado mais flexível. Disjuntor Dispositivo de manobra e proteção que permite a abertura ou fechamento de circuitos de potência em quaisquer condições de operação, normal e anormal, manual ou automática. Os equipamentos de manobra são dimensionados para suportar correntes de carga e de curto-circuito nominais. Valores de Placa: Tensão nominal Frequência nominal Corrente nominal Capacidade de interrupção em curto-circuito simétrico Tempo de interrupção em ciclos: 3-8 ciclos em 60 Hz A corrente de disparo Id (Id>1,25Inom) deve ser menor que a capacidade de condução de corrente dos condutores do circuito (função do condutor). Durante a abertura dos contatos principais do disjuntor são necessários uma rápida desionização e resfriamento do arco elétrico. Para que a interrupção da corrente seja bem sucedida é necessário que o meio extintor retire mais energia do arco elétrico estabelecido entre os contatos que a energia nele (arco) dissipada pela corrente normal ou de curto- circuito. Para que a corrente seja interrompida com sucesso é necessário que a tensão suportável do dielétrico ao longo do tempo seja maior que a tensão de restabelecimento que ocorre nos terminais do dispositivo de interrupção. A tensão que cresce através dos contatos em separação é denominada de tensão de restabelecimento (Recovery Voltage). Quando o restabelecimento do dielétrico crescer mais rapidamente do que a tensão de restabelecimento do sistema, o arco extinguirá na próxima passagem por zero da corrente, e o circuito será aberto com sucesso. Caso contrário, a corrente será reestabelecida através de um arco entre os contatos. Os disjuntores são classificados e denominados segundo a tecnologia empregada para a extinção do arco elétrico. Os tipos comuns de disjuntores são: A) Disjuntores a sopro magnético − Usados em média tensão até 24 kV, principalmente montados em cubículos. CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 23 B) Disjuntores a óleo − Possuem câmaras de extinção onde se força o fluxo de óleo sobre o arco; − Os disjuntores a grande volume de óleo (GVO) são empregados em média e alta tensão até 230 kV; − Os disjuntores GVO têm grande capacidade de ruptura em curto-circuito; − Os disjuntores a pequeno volume de óleo (PVO) cobrem em média tensão praticamente toda a gama de capacidade de ruptura de até 63 kA. C) Disjuntores a vácuo − Ausência de meio extintor gasoso ou líquido; − O vácuo apresenta excelentes propriedades dielétricas, portanto a extinção do arco será de forma mais rápida; − A erosão de contato é mínima devido à curta duração do arco; − Podem fazer religamentos automáticos múltiplos; − Grande relação de capacidade de ruptura / volume tornando-os apropriados para uso em cubículos. D) Disjuntores a ar comprimido − As suas características de rapidez de operação (abertura e fecho) aliadas às boas propriedades extintoras e isolantes do ar comprimido, bem como a segurança de um meio extintor não inflamável, quando comparado ao óleo, garantem uma posição de destaque a estes disjuntores nos níveis de alta tensão. − Têm como desvantagem o alto custo do sistema de geração de ar comprimido e uso de silenciadores quando instalados próximos a residências. E) Disjuntores a SF6 (Hexafluoreto de enxofre) − SF6 é um gás incolor, inodoro, não inflamável, estável e inerte até cerca de 5000oC comportando-se como um gás nobre. − Durante o movimento de abertura forma-se um arco elétrico que deve ser extinto através de sopro do gás. Aforça de separação dos contatos simultaneamente aciona o pistão que produz o sopro sobre o arco. Religador É um dispositivo interruptor auto-controlado com capacidade para: − Detectar condições de sobre-corrente; − Interromper o circuito se a sobre-corrente persiste por um tempo pré-especificado, segundo a curva t x I; − Automaticamente religar para re-energizar a linha; − Bloquear depois de completada a sequência de operação para o qual foi programado. Como o nome sugere um religador automaticamente religa após a abertura, restaurando a continuidade do circuito mediante faltas de natureza temporária ou interrompendo o circuito mediante falta permanente. O princípio de funcionamento de um religador pode ser descrito como: − Opera quando detecta correntes de curto-circuito, desligando e religando automaticamente os circuitos um número predeterminado de vezes. − A falta é eliminada em tempo definido pela curva de operação do relé, instantânea ou temporizada. − Os contatos são mantidos abertos durante determinado tempo, chamado tempo de religamento, após o qual se fecham automaticamente para re-energização da linha. Na operação instantânea (fast tripping) em geral não há contagem de tempo para fechamento dos contatos do relé (fast reclosing) - tempo típico de 12 a 30 ciclos, tempo mínimo de 3 a 6 ciclos. Muitos relógios digitais são capazes de suportar interrupções de duração de até 30 ciclos. A operação instantânea visa economizar a queima de fusíveis. − Se, com o fechamento dos contatos, a corrente de falta persistir, a sequência abertura/fechamento é repetida até três vezes consecutivas e, após a quarta abertura, os contatos ficam abertos e travados ou bloqueados. − O novo fechamento só poderá ser manual. CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 24 A prática comum de uso de religadores automáticos pelas concessionárias de energia elétrica tem reduzido a duração das interrupções de patamares de 1h para menos de 1 min, acarretando em benefícios para as concessionárias quanto aos valores de seus indicadores de continuidade. Os religadores podem ser instalados quer em subestações de distribuição ou em circuitos de distribuição, basicamente em circuitos radiais. Normalmente os religadores são projetados para ter uma sequência de religamento de no mínimo uma até quatro operações e ao fim da sequência completa a abertura final bloqueará a sequência. Se ajustado para quatro operações, com sequência típica de quatro disparos e três religamentos, a sequência de operação pode ser: − Uma rápida ou instantânea (1I) e três retardadas ou temporizadas (3T); − Duas rápidas (2I) e duas retardadas (2T); − Três rápidas (3I) e uma retardada (1T); − Todas rápidas (4I); − Todas retardadas (4T); Fusíveis O mais básico elemento de proteção de sobre-corrente é um fusível. Os fusíveis são relativamente baratos e isentos de manutenção. Por estas razões, eles são largamente usados por muitas concessionárias de distribuição para proteger transformadores e ramais de alimentadores laterais. A função principal dos fusíveis é operar mediante faltas permanentes e isolar (seccionar) a seção faltosa da porção sem defeito. Os fusíveis são posicionados de modo que a menor seção do alimentador é separada. Consiste em filamento ou lâmina de um metal ou liga metálica de baixo ponto de fusão, intercalado em um ponto determinado do circuito. E este se funde por efeito Joule quando a intensidade de corrente elétrica aumenta em razão de um curto-circuito ou sobrecarga. As principais características dos fusíveis são: Corrente nominal - corrente que o fusível suporta continuamente sem interromper. Esse valor é marcado no corpo do fusível. Corrente de curto circuito - corrente máxima que deve circular no circuito e que deve ser interrompida instantaneamente. Capacidade de ruptura (kA) - valor de corrente que o fusível é capaz de interromper com segurança. Não depende da tensão nominal da instalação. Tensão nominal - tensão para a qual o fusível foi construído. Resistência de contato – valor de resistência entre o contato da base e o fusível. Normalmente, eventuais aquecimentos que podem provocar a queima do fusível. Tipos de fusíveis: − Segundo a característica de desligamento: Efeito rápido - são destinados à proteção de circuitos em que não ocorre variação considerável de corrente quando do acionamento do circuito. Ex. circuitos puramente resistivos. Efeito retardado - suportam por alguns segundo a elevação do valor da corrente, caso típico que ocorre na partida de motores em que a corrente de partida pode atingir de 5 a 7 vezes a corrente nominal. − Segundo a tensão de alimentação: Baixa tensão Alta tensão Segundo a tecnologia de fusão: Fusíveis de expulsão Fusíveis limitadores de corrente CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 25 Chaves Seccionalizadoras Os seccionalizadores automáticos são dispositivos projetados para operar em conjunto com religadores, ou com disjuntor comandado por relés de sobrecorrente dotados da função de religamento (função 79). Diferentemente do religador/disjuntor, o seccionalizador automático não interrompe a corrente de defeito. O seccionalizador automático abre seus contatos quando o circuito é desenergizado pelo religador/disjuntor situado à sua retaguarda (montante). O seccionalizador é ligado a certa distância do religador/disjuntor no seu lado de carga. A cada vez que o religador interrompe a corrente de falta, o seccionalizador conta a interrupção e, após um predeterminado número de interrupções, abre seus contatos antes da abertura definitiva do religador. Desta forma, um trecho sob condições de falta permanente é isolado, permanecendo o religador e os demais trechos em operação normal. É importante observar que na abertura do seccionalizador (após a terceira contagem), o circuito está desenergizado pelo religador dispensando dotar o seccionalizador de capacidade de interrupção de corrente de curto-circuito, o que o torna mais barato do que um religador ou disjuntor. Chaves Elétricas As chaves elétricas são dispositivos de manobra, destinadas a estabelecer ou interromper a corrente em um circuito elétrico. São dotadas de contatos móveis e contatos fixos e podem ou não ser comandadas com carga. As chaves para operação sem carga são denominadas de chaves a seco e embora não interrompem correntes de carga, as chaves a seco podem interromper correntes de excitação de transformadores (a vazio) e pequenas correntes capacitivas de linhas sem carga. As chaves seccionadoras são normalmente fornecidas para comando por bastão de manobra. As chaves podem ser comandadas remotamente e acionadas a motor. Chaves de Aterramento São chaves de segurança que garantem que uma linha seja aterrada durante operação de manutenção na linha. As chaves de aterramento são operadas (abrir e fechar) somente quando a linha está desenergizada e é utilizada para que se evitem energizações indesejadas do bay, localizado no extremo oposto, como também para eliminação das induções devido à proximidade de linhas ou em função de sobre-tensões de origem atmosféricas, as quais podem assumir valores perigosos. Para-Raios São em geral localizados nas entradas de linha, saídas de linhas e na extremidade de algumas barras de média tensão de subestações para proteção contra sobre-tensões promovidas por chaveamentos e descargas atmosféricas no sistema. Os para-raios são também localizados nos transformadores de distribuição. Para-raios e supressores de surtos de tensão são ambos dispositivos para proteção de equipamentos contra sobre-tensões transitórias. Os supressores de surtos (TVSS – Transient Voltage Surge Suppressors) são em geraldispositivos usados na carga. Um para- raios em geral tem maior capacidade de energia. Originalmente, os para-raios eram constituídos apenas de espaçamentos (gaps) preenchidos por ar ou um gás especial. Mediante um transitório de tensão a isolação do meio é rompida e corrente flui através dos gaps estabelecendo uma condição de falta com tensão próxima a zero por um intervalo de tempo de no mínimo . ciclo. Posteriormente resistores não lineares de SiC (silicon carbide) foram introduzidos em série aos espaçamentos dos para-raios como elementos dissipadores de energia. Os resistores não-lineares diminuem rapidamente sua impedância com o aumento da tensão. O uso de resistores não-lineares melhorou o desempenho dos pararaios limitando a tensão, i.e., evitando que caísse próximo a zero. O desenvolvimento da tecnologia MOV (Metal Oxide Varistor) permitiu melhorar as características da descarga sem o desenvolvimento de transitórios impulsivos que levava à falha de isolação dos CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 26 equipamentos. A vantagem dos MOV sobre os dispositivos baseados em gaps é que a tensão não é reduzida abaixo do nível de condução quando se inicia a condução da corrente de surto. Sistema de Proteção A função de um esquema de proteção em um sistema elétrico de potência é detectar falta e isolar a área afetada no menor tempo possível, de forma confiável e com mínima interrupção possível. Os objetivos de um Sistema de Proteção são: − Segurança pessoal; − Manter a integridade dos equipamentos; − Isolar a parte afetada do restante do sistema; − Assegurar a continuidade de fornecimento. Requisitos do Sistema de Proteção As propriedades que descrevem as características funcionais de um sistema de proteção são: − Seletividade − Rapidez ou Velocidade − Sensibilidade − Confiabilidade − Custo Relés Os relés de proteção são dispositivos responsáveis pelo gerenciamento e monitoramento das grandezas elétricas em um determinado circuito. Os relés são projetados para sentir perturbações no sistema elétrico e automaticamente executar ações de controle sobre dispositivos de disjunção a fim de proteger pessoas e equipamentos. O sistema de proteção não é composto apenas pelo relé, mas por um conjunto de subsistemas integrados que interagem entre si com o objetivo de produzir a melhor atuação sobre o sistema, ou seja, isolar a área defeituosa sem que esta comprometa o restante do SEP. Estes subsistemas são formados basicamente por relés, disjuntores, transformadores de instrumentação e pelo sistema de suprimento de energia. Funções de Proteção Os relés têm as suas funções de proteção identificadas por números, de acordo com a as normas IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), ANSI (American National Standards Institute) e IEC (International Electrotechnical Commission). A filosofia geral de aplicação de relés em uma subestação é dividir o sistema elétrico em zonas separadas, que podem ser protegidas e desconectadas individualmente na ocorrência de uma falta, para permitir ao resto do sistema continuar em serviço se possível. A lógica de operação do sistema de proteção divide o sistema de potência em várias zonas de proteção, cada zona requerendo seu próprio grupo de relés. Transformador Os transformadores são equipamentos empregados para “elevar” ou “abaixar” as tensões entre os subsistemas de um sistema elétrico. O transformador é um conversor de energia eletromagnética, cuja operação pode ser explicada em termos do comportamento de um circuito magnético excitado por uma corrente alternada. Consiste de duas ou mais bobinas de múltiplas espiras enroladas no mesmo núcleo magnético, isoladas deste. Uma tensão variável aplicada à bobina de entrada (primário) provoca o fluxo de uma corrente variável, criando assim um fluxo magnético variável no núcleo. Devido a este é induzida uma tensão na bobina de saída (ou secundário). Não existe conexão elétrica entre a entrada e a saída do transformador. Os transformadores podem ser projetados para diferentes aplicações: CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 27 §� Transformador de potência que será estudado com mais detalhe como unidade monofásica e trifásica. §� Transformador de instrumentação – projetado para aplicações de proteção, medição e faturamento, sendo construídos, em geral, de modo a garantir precisão e linearidade. §� Transformadores de comando e controle – são os transformadores de pulso, utilizados para disparar (gatilhar) tiristores ou comandar outros tipos de interruptores eletrônicos. Normalmente possuem relação 1:1 e seu objetivo principal é fornecer isolação galvânica. §� Transformadores para baixa e alta frequência. As principais partes componentes de um transformador de distribuição são: tanque com aletas de refrigeração, óleo isolante e refrigerante (óleo mineral); buchas de alta e baixa tensão, núcleo magnético, enrolamentos de alta e baixa tensão, tapes das bobinas do transformador (com comutação manual ou automática), e papel isolante envolvendo os condutores (bobinas) e as cabeças das bobinas. Os transformadores são os equipamentos mais caros em uma subestação de transmissão ou de distribuição. BANCOS DE CAPACITORES Os bancos de capacitores instalados em Subestações Elétricas, em qualquer que seja o nível de tensão, ( AT/MT/BT ), exercem basicamente um conjunto de funções, que são relativamente de natureza padrão, para a maioria das instalações e que podem ser sumariamente apresentadas como segue:Compensação do fator de potência da instalação.Regulação de Tensão. Filtrages de Componentes Harmônicas na rede.Uma das funções de um banco de capacitores instalados numa rede, é o de gerar potência reativa ( Q [kVAR] ), e nessas condições, existe uma compensação do valor excedente de reativo indutivo presente no sistema em questão ( P[kW] ), liberando a capacidade da instalação em termos de sua potência total instalada ( S [kVA] ),propiciando assim, uma redução nos valores das correntes circulantes nos cabos setorialmente envolvidos com a compensação, e como conseqüência, redução nas quedas de tensões, aquecimentos, e liberação de uma capacidade adicional da rede de atendimento.Dependendo da forma como esses bancos forem ligados, eles podem ainda exercer uma ação de filtragem nas componentes harmônicas de várias ordens,resultando numa melhor qualidade de atendimento setorial. Reguladores de Tensão A tensão ao longo de alimentadores é normalmente controlada por reguladores de tensão. Esses reguladores são autotransformadores com tapes ou derivações em seus enrolamentos. Tipicamente, o regulador é usado para elevar ou abaixar a tensão em intervalos de até 10%. Um regulador pode ser operado em modo manual ou modo automático. No modo manual, a tensão de saída pode ser manualmente elevada ou abaixada no painel de controle do regulador. No modo automático, o mecanismo de controle do regulador ajusta os tapes para assegurar que a tensão monitorada mantenha-se dentro de certa faixa. SUBESTAÇÕES MÓVEIS As características da engenharia de Subestações Móveis, associada à sua fiabilidade, mobilidade e elevada qualidade, garantem uma boa solução para: - Fornecimento de Energia de emergência - Fornecimento de Energia temporária - Fornecimento de Energia durante manutenções - Fornecimento de Energia durante a construção de uma Subestação convencional. São implementadas soluções eficientes e qualificadas para adaptar as Subestações Móveis a situações de transporte e de serviço. Os principais benefícios pela utilização de uma Subestação Móvel são: - Unidade de reserva para fornecimento de energia - Elevada mobilidade CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva28 - Flexibilidade - Custos reduzidos - Reduzido prazo de entrega O sistema de gestão de qualidade implementado em todas as fases da execução das Subestações Móveis, desde a consulta do cliente até ao comissionamento, é certificada pela norma NP EN ISO 9001:2000. É uma subestação instalada em um veículo de transporte que poderá ser levado para qualquer local. Também é utilizada para rápida restauração do fornecimento de energia em casos de emergência, antecipação de energização em obras prioritárias, atendimento de cargas sazonais e manutenção preventiva. A subestação móvel possui isoladores poliméricos de elevada resistência e módulo PASS, desenvolvido para garantir redução de peso e espaço físico. Opera em freqüência de 50/60 Hz; tensão nominal primária de 13,8/34/69/138/230 kV; tensão secundária de 69/34,5/13,8 kV e potência de até 45 MVA. Apresenta meio de isolação Ar - SF6 e semi-reboque tipo suspensão (feixe de molas, hidráulica ou pneumática), eixos fixos ou direcionáveis e pescoço fixo ou hidráulico. MANOBRAS EM CIRCUITOS DE POTÊNCIA De acordo com a NR-10, a operação de subestação deverá ser efetuada por pessoas qualificadas e autorizadas com treinamento prévio de NR-10 curso básico e complementar Itens 10.8, e 10.7, 1,2 da NR-10 do M.T.E. e que estejam familiarizados com o sistema energético.Há dois tipos básicos de operação: A - Operação de emergência. B - Operação programada. Com exceção da manobra de emergência, em media e alta tensão é essencial que seja feita uma programação prévia e uma lista de procedimentos á serem executados,para assegurar que a operação de manobra será feita corretamente. De acordo com a norma, de segurança NR-10. itens 7,4 e 10.11, este Procedimento e de responsabilidade da empresa e deve ser assinado por um profissional legalmente habilitado e com a participação do serviço especializado de engenharia segurança do trabalho o (SEESMT) e o responsável pelas estações e pessoal envolvido. Quando no caso de emergência após a manobra os responsáveis devem ser informados através de relatório citando os motivos da manobra e as condições dos equipamentos. Na autorização deve constar: 1 - Motivo da manobra; 2 - Horário de inicio da manobra; 3 - Se há interrupção; 4 - Se a interrupção é total ou parcial; 5 - Quais os setores afetados; 6 - Quais componentes (equipamentos) e seqüência que serão manobrados; 7 - Condições operativas dos equipamentos que serão manobrados. 8 - Quais os EPI e EPC que serão usados. 9 - Tempo total de duração; 10 - Solicitante da manobra; 11 - Responsável(s) pela manobra(s) (operador); 12 - Em caso de entrega para manutenção quem da manutenção irá executá-la; 13 - Data e horário que o circuito será devolvido para religamento; 14 - Responsável que irar liberar o circuito; 15 - Quais diagramas a serem consultados para manobra; Na operação de emergência Depois de concluída a manobra de emergência deverá ser emitido relatório constando todas as seqüências de operação já realizadas, o motivo do desligamento, e os reles operados. Nos caso de curto circuito indicar o local em que este aconteceu e quais as medidas adotadas. CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 29 Seqüência de operação de uma subestação: Desligamento completo (Programado) 1- Planejamento; 2- Conferir equipamento; 3- Desligar disjuntor principal através do acionamento elétrico, na falta, acionamento mecânico; 4- Conferir equipamento; 5- Abrir seccionadora na proteção e travá-la na posição desligada; 6- Abrir seccionadora na medição da concessionária e travá-lo conforme item anterior; 7- Abrir seccionadora do poste, quando necessário. (Esta operação é realizada pela concessionária); 8- Verificar equipamentos; 9- Sinalizar (Avisos de perigo com: barreiras, placas, etc.); 10- Elaborar relatório. Caso seja para manutenção deve-se: A- Executar teste de tensão usando o testador de tensão B- Executar Aterramento temporário: Constatada a inexistência de tensão, um condutor do conjunto de aterramento temporário deverá ser ligado a uma haste conectada à terra. Na seqüência, deverão ser conectadas as garras de aterramento aos condutores fase, previamente desligados. C- Isolar a área.(Verificar Item, Procedimentos de segurança para manutenção); OBS: Desligar os circuitos de AT e BT sempre pelos disjuntores e nunca pelas seccionadoras. Os disjuntores são feitos para suportar surto de carga e até curtos circuitos, portanto é elemento responsável pelo perfeito desligamento ou religamento de toda carga da subestação. Quando há diversos disjuntores de Alta Tensão, estes deverão preferencialmente ser desligados primeiro e por último o principal. ▪ Religamento completo (Programado) No Religamento completo programado, a operações devem ser inversas ao desligamento seguindo passo a passo. Caso o desligamento seja para manutenção,deve-se verificar se:A - Todas as ferramentas, equipamentos e pessoal foram retirados do local;B - O Aterramento temporário foi retirado;C - Os equipamentos e o sistema de proteção estão em ordem;D - As telas de proteção ou todas as portas estão no local, e fechadas . ▪ Execução da Manobra 1 - Verificar Equipamentos; 2 - Fechar o seccionador do poste, caso tenha sido aberta; 3 - Fechar seccionador na medição da concessionária e travá-la na posição ligada; 4 - Fechar seccionadora da proteção e travá-la conforme item anterior; 5 - Conferir equipamento; 6 - Ligar o disjuntor principal através do acionamento elétrico, na falta acionamento mecânico; 7 - Conferir equipamento; 8 - Ligar os disjuntores secundários ou os de BT’s. ▪ Desligamento Automático Nas subestações pode haver desligamentos automáticos por diversos motivos como segue: 1 - Falta de fase no circuito de alimentação; 2 - Interrupção total do circuito de alimentação; 3 – Sobre-corrente na subestação; 4 – Curto circuito; 5 - Aquecimento do transformador; CEAPI- Centro de Estudos e Aperfeiçoamento Profissional de Itapeva 30 6 - Falta de óleo no transformador; 7 - Gás inflamável no transformador. Qualquer desligamento desta natureza requer um religamento o qual é considerada operação de emergência.O religamento poderá ser feito por qualquer operador devidamente credenciado, desde que os seguintes pontos sejam verificados: 1 - Motivo de desligamento; 2 - Condições do equipamento; 3- Segurança absoluta da possibilidade de religamento (vide item cuidados especiais no religamento de subestações); 4 - Existência dos equipamentos auxiliares da manobra; 5 - Segurança para o operador . OBS. ▪ Nenhum operador será obrigado a religar uma subestação, se as condições de segurança não forem satisfeitas e deverá, em caso de dúvidas, recorrer ao Engenheiro ou responsável o qual autorizará ou não o religamento. ▪ É proibido efetuar quaisquer serviços de reparos nas partes vivas de uma subestação, ou seja, em seus componentes de média, quando estiverem energizadas.Poderão ser efetuados reparos nos equipamentos auxiliares de manobra, o que deverá ser feito com procedimento e autorização do engenheiro ou responsável, e deve-se dar cuidados especiais de trabalho e segurança. ▪ Não é permitido efetuar sozinho as manobras de subestações, sempre deverá haver mais de uma pessoa autorizada no recinto durante as manobras. (NR – 10 item 10.7.3) ▪ É proibido fazer manobras em subestações sem o equipamento de proteção (luvas,bastões, isolantes e tapetes de borracha, etc.). Todos estes equipamentos devem ter resistência dielétrica de conforme a classe de tensão e estar de acordo com a NR-6 as luvas de segurança devem estar com luvas de proteção mecânica, e acondicionada em local apropriado. ▪ De conformidade com os novos regulamentos internacionais, os disjuntores de media/alta
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