Neste primeiro artigo sobre o tema, além dos princípios básicos de dimensionamento, são apresentados os componentes e sistemas de proteção mais comuns em subestações de energia elétrica de média tensão. No próximo artigo, serão abordados os procedimentos de comissionamento e manutenção.

Em termos gerais, uma subestação é um conjunto de equipamentos usado para dirigir o fluxo de energia em sistemas de potência. Versões mais avançadas dispõem ainda de dispositivos de proteção capazes de detectar falhas no sistema e isolar os trechos onde ocorrem. Na instalação, podem ser montadas ao tempo, de forma abrigada ou semiabrigada.

Basicamente, é formada por transformadores de potência e de instrumentos (de corrente ou de tensão, para medição), disjuntores e chaves seccionadoras, além de equipamentos de medição e proteção (para-raios, relês e fusíveis), capacitores de compensação e outros.

DIMENSIONAMENTO

O exemplo que segue mostra como dimensionar a potência de uma subestação em função da capacidade a ser instalada. Considerando dois centros de controle de motores (CCM), um deles para 8 motores de 10 cv e outro com 6 motores de 30 cv e 4 motores de 50 cv. Além disso, teremos um quadro de iluminação (QI) com 120 lâmpadas de 40 W e 50 lâmpadas de 100 W. Todos esses centros e quadros são alimentados a partir do quadro geral de força (QGF). Considerar um fator de potência de 0,85 e um fator de simultaneidade (FS) de 0,65 para os motores.

Para o cálculo dos kVA necessários para cada motor, é usada a fórmula kVA=(Px736)/0,85. Tem-se, respectivamente, necessidades unitárias de 8,66, 25,98 e 43,29 kVA. A capacidade dos CCM e do QI estão calculadas a seguir:

• CCM1: C = 8,66 kVA x 8 unid x 0,65 = 45,03 kVA
• CCM2: C = (25,98 kVA x 6 unid x 0,65) + (43,29 kVA x 4 un x 0,65) = 213,87 kVA
• QI: C = (120 unid x 40 w) + (50 unid x 100 w) = 9,80 kVA
• Capacidade do QGF: 45,03 + 213,87 + 9,80 = 268,70 kVA
• Potência padronizada mais próxima: 300 kVA

O componente central da subestação é o transformador de potência

COMPONENTES

O principal componente da subestação é o transformador de potência. De acordo com o tipo de refrigeração e isolamento, pode ser a óleo mineral (mais comum), a silicone ou seco (pequenas capacidades). O óleo mineral ou os isolantes sintéticos (silicone) têm por função evitar a formação de arco e dissipar o calor gerado no funcionamento.

Os transformadores de corrente (TC) são utilizados para medição. O enrolamento primário está ligado em série com o circuito, enquanto o secundário alimenta as bobinas dos instrumentos de medição e controle. As principais características dos TCs são: corrente secundária nominal padronizada em 5 A, corrente primária nominal definida em função da instalação, classe de exatidão (definida pela ABNT ou ANSI), carga nominal, nível de isolamento e corrente nominal.

Da mesma forma, os transformadores de potencial (TP) também se destinam à medição e controle. Seu enrolamento primário está ligado em derivação ao circuito, enquanto o secundário alimenta as bobinas de potencial do instrumento de controle. As principais características são as tensões nominais (primária e secundária, esta padronizada em 115 V) e a classe de exatidão.

Por sua vez, as chaves fusíveis (chaves Mateus) são dispositivos de proteção e manobra utilizados para proteção de entradas primárias até 100 A. Possuem um porta-fusível no qual é instalado um elo fusível, que se rompe em caso de corrente excessiva.

As chaves seccionadoras se destinam a isolar equipamentos, trechos de barramentos ou linhas de transmissão. A abertura pode ser vertical, central, lateral ou basculante, prevendo-se ainda seccionadores de aterramento e de operação por bastão de manobra, com comando manual ou motorizado.

DISJUNTORES

Os disjuntores são os principais dispositivos de manobra e segurança utilizados nas subestações. Sua capacidade de abertura e fechamento deve atender a todas as condições normais e anormais de operação de uma subestação. De acordo com suas características, podem ser a óleo (pequeno ou grande volume), a ar comprimido, a SF6 ou a vácuo.

Os disjuntores são os principais dispositivos de manobra e segurança utilizados nas subestações

Os disjuntores de grande volume de óleo (GVO) possuem todas as fases imersas em um único recipiente contendo óleo, sendo usados em equipamentos de menor capacidade. Nos disjuntores de maior capacidade, o encapsulamento é independente para cada fase. Os de PVO têm uma câmara de extinção com fluxo forçado sobre o arco, que aumenta a eficiência do processo de interrupção da corrente e reduz significativamente o volume de óleo necessário.

Nos disjuntores a ar comprimido, esse produto fica armazenado em um reservatório pressurizado e sopra entre os contatos, resfriando o arco. Após o fim do movimento do contato móvel, as válvulas se fecham, deixando o disjuntor aberto com as câmaras cheias de ar comprimido na pressão de serviço.

Por segurança, subestações incluem sistemas de proteção contra incêndio, descargas atmosféricas e surtos de manobra

Gás inerte e pouco contaminável, o hexafluoreto de enxofre (SF6) é indicado para uso em disjuntores, até por conta de seu comportamento na presença de arcos elétricos. O funcionamento é semelhante ao dos disjuntores a ar comprimido, liberando-se o SF6 para um reservatório em baixa pressão, ao invés de encaminhá-lo para a atmosfera. Após o acionamento, o gás é bombeado de volta para o tanque de alta pressão.

A evolução das técnicas de vedação, que reduziram o vazamento de gases, têm tornado esses equipamentos competitivos com os disjuntores de PVO e ar comprimido, com algumas vantagens, particularmente em subestações blindadas, cuja área é reduzida.

O uso de disjuntores a vácuo ainda é restrito, embora venha crescendo, o que dependerá da evolução de tecnologias que permitam compatibilizar o aumento das tensões e correntes nas câmaras de vácuo e a redução de seus volumes e pesos.

A vácuo ou com hexafluoreto de enxofre (SF6), disjuntores precisam ter capacidade de abertura e fechamento

Já o para-raios é um dispositivo de proteção destinado a evitar surtos de tensão que possam danificar o equipamento. A partir de uma determinada intensidade de sobretensão, o para-raios passa a descarregar parte da corrente para a terra. Pode ser produzido com gap e resistor não linear ou com óxido de zinco, mais eficiente.

É comum se colocar um reator ou resistor de aterramento entre o neutro e a terra, para limitar a corrente de curto-circuito. No caso de secundário em média tensão, o uso de resistores apresenta algumas vantagens. No caso de secundário até 600 V, basta ser solidamente aterrado.

PROTEÇÃO

Numa subestação, são necessários sistemas de proteção contra incêndio, descargas atmosféricas e surtos de manobra, além de proteções diversas por relês e fusíveis.

Os problemas mais frequentes nos transformadores são de duas naturezas: curto-circuito nos enrolamentos e superaquecimento. Como o nível atual de tecnologia torna os componentes extremamente seguros, as principais preocupações estão voltadas para curtos-circuitos e problemas com causas externas.

Curtos-circuitos resultam de defeitos no isolamento causados por sobretensão ou superaquecimento dos enrolamentos

Os curtos-circuitos resultam de defeitos no isolamento causados por sobretensão de origem atmosférica ou de manobra, além de superaquecimento dos enrolamentos. Sobrecargas repetitivas causam envelhecimento prematuro dos isolantes, com redução de suas características.

Os principais sistemas de proteção incluem a proteção diferencial percentual, capaz de eliminar todos os tipos de curto-circuito interno e os defeitos devidos a arcos nas buchas. São comparadas as correntes na entrada e saída do componente protegido, acionando-se o relê diferencial quando a diferença ultrapassa um determinado valor.

Em transformadores de pequena e média potência, nos quais o aspecto econômico é menos relevante, a proteção contra curto-circuito e de retaguarda contra falhas externas são feitas por meio de relês de corrente primários ou secundários, no lugar dos relês diferenciais. O relê de pressão se destina a proteger o transformador contra um aumento repentino da pressão do óleo devido ao arco resultante de uma falha interna. Como é insensível a variações lentas, atua como proteção suplementar.

Quando uma linha alimenta apenas um transformador ou um único banco de transformadores, é comum não se instalar o disjuntor no lado de maior tensão por motivos econômicos, deixando essa proteção para o disjuntor instalado no início da linha (desligamento remoto).


Nível atual de tecnologia torna os componentes extremamente seguros

No próximo artigo, são detalhados os procedimentos e inspeções de comissionamento e manutenção desses sistemas.