A subestação e seus componentes principais
Com
a finalidade de transformar a energia elétrica recebida e entregá-la, de
maneira conveniente, aos seus consumidores, a subestação compreende os
seguintes equipamentos:
1. de manobra;
2. de transformação;
3. de conversão (se houver além da modificação de tensão também
houver modificação da freqüência); e
4. de estrutura.
Elas
se subdividem em três grupos básicos que são as primárias (ou de
transformação), secundárias (ou de distribuição) e industriais:
a.
primárias: destinadas à transmissão de energia elétrica;
b.
secundárias: transformam, convertem ou subdividem a energia a ser distribuída;
c.
industriais: transformam a energia do sistema de distribuição em energia sob
condição de utilização direta pelo consumidor.
Existem
basicamente quatro tipos clássicos de subestação:
1. aérea: possui os dispositivos de proteção e
controle instalados na própria estrutura da subestação. Normalmente é montada
em postes ou plataformas ao ar livre, recebendo a alimentação por ramal de
entrada aéreo e está limitada a determinadas potências, em função da
concessionária de energia;
2. interna: localizada dentro de construção de
alvenaria, sendo facilmente acessível à manutenção e operação, além de possuir
proteção contra interferências externas, proteção em tela metálica ou esquadria
especial para as áreas de utilização, assim como ramal de entrada subterrâneo,
através de dutos. A construção que abriga a subestação pode ser independente ou
fazer parte do edifício do consumidor;
3. blindada: é uma subestação interna, na qual
seus componentes ficam abrigados em invólucros, que se configuram como
compartimentos em chapa de aço, e que permite que todos os dispositivos e
manobra (disjuntor e chave seccionadora) possam ser operados externamente. É
muito comum quando há necessidade de se reduzir a influência dos campos
eletromagnéticos a níveis mínimos;
4. subterrânea: empregada onde a rede de
distribuição já é do tipo subterrânea e é de propriedade do cliente,
diferenciando-se apenas em relação à subestação interna (item 2, que possui
“alimentação” oriunda de rede aérea de distribuição).
Vista
de uma subestação industrial do tipo blindada
O
tipo mais comum é a industrial interna rebaixadora, tendo o seu princípio de
funcionamento descrito da seguinte maneira:
a. a
alimentação em alta tensão é recebida de um ramal aéreo da concessionária, em oste próximo ao local da instalação da subestação
(responsabilidade da concessionária de energia);
b. no
poste são instalados os pára-raios e as chaves seccionadoras (responsabilidade
da concessionária), que também são dispositivos de proteção, quando a corrente
é de até 200A (chave fusível, ou, como é popularmente chamada, chave Matheus);
c. por
meio de uma mufla (dispositivo mecânico, terminal de ligação, que permite a
conexão de um cabo a um barramento, a uma chave ou a outro cabo, preservando os
valores de tensão de isolamento de linha) o cabo trifásico da subestação é
emendado aos fios da rede de distribuição na saída da chave seccionadora;
d. já
na parte interna da subestação, a alimentação chega através do cabo trifásico
também terminado em uma mufla para permitir a conexão ao barramento interno da
subestação, através de chaves seccionadoras;
e. entre a mufla interna e a seccionadora interna também é
instalado um pára-raio, que já é responsabilidade do
proprietário das instalações;
f.
após a segunda chave seccionadora estão ligados ao barramento da subestação os
equipamentos destinados às medidas de energia consumida nas instalações, ou
seja, o quilo-Watt-horímetro (mede kWh) e o medidor de
quilo-Volt-Ampere-reativo hora (mede kVArh), que
recebem informações através dos transformadores de potencial (TP), instalados
entre fases e dos transformadores de corrente (TC) que são monofásicos (por
esse motivo diz-se que a medição é indireta, ou seja, os medidores não estão
diretamente na alta tensão, mas dependem de transformadores que rebaixam tensão
e corrente para valores compatíveis com os aparelhos de medição);
g.
depois da medição, outra chave seccionadora à montante do disjuntor geral de
alta tensão;
h.
após o disjuntor geral o barramento alimenta outra chave seccionadora que
antecede o transformador rebaixador de tensão, por exemplo, de 13.800 para 220
Volts;
i. da saída do secundário do transformador parte alimentação ao
barramento do quadro geral de baixa tensão (QGBT) ou quadro de distribuição
geral (QDG), instalado fora dos limites da subestação;
j. a partir do QGBT é feita, portanto, toda a distribuição dos
circuitos em baixa tensão através de fusíveis e disjuntores.
A
chave seccionadora se caracteriza por ser um dispositivo que não interrompe
circuitos sob carga, sendo necessária sua manobra ser
feita de maneira suave, porém rápida e decisiva se estiver sob tensão. A
verificação das facas após a abertura é fundamental, pois é preciso ter certeza
absoluta de que se abriram completamente. Também no fechamento os contatos
devem ser inspecionados devendo estar perfeitamente encaixados e não existir
qualquer tipo de faiscamento.
Chave
seccionadora típica de uma subestação industrial interna
O
disjuntor geral de alta tensão possui a prerrogativa de ser o único dispositivo
de manobra em condições de ser manobrado em carga. Os que operam em corrente contínua
são conhecidos como ultra-rápidos, a fim de não
permitirem que a corrente de curto-circuito atinja valores muito altos. Em
corrente alternada os disjuntores dispõem de dispositivos corta-arco que podem
ser:
a. a
óleo mineral (podendo ser de pequeno ou de grande volume de óleo);
b. a
gás SF6 (hexafluoreto de enxofre, um gás inerte e de excelentes propriedades
interruptoras e isolantes; é um dos compostos mais estáveis e puros sob
condições normais de serviço, sendo ainda não-inflamável, não tóxico e inodoro;
meras 2 ou 3 atm de pressão são suficientes para que
seu poder dielétrico exceda o do óleo), muito usados em alta tensão e
apresentam vantagens tais como peso reduzido (60% menor que o de um disjuntor a
óleo equivalente), operação silenciosa (é o mesmo nível de ruído de um
disjuntor a óleo equivalente operando sem carga), e manutenção simplificada; e
c. a
vácuo (possuindo vantagens de ser mais econômico e tecnicamente superior, pois
possui dielétrico permanente, com câmaras herméticas, não sendo afetadas pelo
meio ambiente; possui resistência de contato constante, não havendo oxidação,
garantindo baixíssima resistência de contato; pode interromper correntes
elevadíssimas devido ao reduzido desgaste dos contatos).
Equipamento
disjuntor instalado numa subestação industrial interna
Além
dos contatos fixo e móvel e a câmara de extinção de arco-voltáico,
basicamente os relés de sobrecarga, de curto-circuito, e de infratensão (ou sub-tensão).
O
relé de sobrecarga é ajustável, e atua baseado no efeito térmico causado pelo
excesso de corrente, e de maneira inversamente proporcional: quanto menor o
tempo de atuação, maior será o valor da corrente na sobrecarga. Já o relé de
curto-circuito é um dispositivo de ação instantânea, ou ainda com retardo
ajustável.
E o
relé de infratensão desarma o disjuntor por meio de dispositivo eletromecânico
acionado quando a tensão está em níveis inferiores à nominal.
Outro
componente importantíssimo no contexto da subestação é justamente o
transformador de força e distribuição de energia elétrica. Construtivamente ele
se compõe de enrolamentos primários e secundários, bem como do núcleo
magnético, normalmente confeccionado de chapas de ferro-silicioso, laminadas a
frio, de perdas reduzidas.
O
bobinado (enrolamentos) é isolado em papel com características dielétricas
especiais, principalmente se forem permanecer em
contato com meio líquido.
Atualmente
os líquidos isolantes mais usados em transformadores são óleo mineral e o óleo
vegetal. Ambos têm função isolante e refrigerante.
Na
foto acima são vistos transformadores monofásicos e trifásicos avariado
aguardando
recondicionamento
O
transformador conta ainda com o relé de gás, conhecido como
relé Buchholz (pronuncia-se ‘Búcous’),
que protege o equipamento contra defeitos internos, que se fazem sentir por
fluxo de óleo, indicando a formação de gases provenientes da combustão do meio
líquido.
Possui
alto preço de aquisição e sua ligação se faz entre o tanque e o conservador. É
equipado com válvulas de retirada de amostra de gases, permitindo assim, pela
análise dos mesmos, determinar a sua origem. Esse relé possui ainda indicador
de nível de óleo e nível da quantidade de ar ou gás acumulado em sua abóbada.
Todo
transformador em óleo possui uma válvula de respiro em sua parte superior,
através da qual se processa a compensação da variação interna das pressões,
devido à dilatação do óleo mineral pelo efeito Joule.
O
tanque do transformador é o elemento que liberta o calor transferido por meio
líquido, além de suportar o peso de toda a sua parte ativa e dos isoladores,
principalmente quando a montagem é feita em postes, por meio de ganchos.
Constituído
em chapa reforçada, o tanque pode ser liso em pequenos transformadores ou
dotado de radiadores, que são tubos com ou sem aletas para troca do calor com o
meio externo. Deve garantir perfeita estanqueidade e suportar as pressões
necessárias em condições adversas até determinado limite.
Dentro
do tanque, o óleo é aquecido pelas perdas nos enrolamentos e no próprio núcleo,
quando assume o movimento ascendente (o óleo se torna menos denso ao ser
aquecido). Então é conduzido aos radiadores e toma o movimento descendente,
dissipando a caloria com o meio externo. É esse tipo de movimento, conhecido
por convecção, que garante o funcionamento do transformador em condições de
sobrecarga, quando o aquecimento da parte ativa se registra mais intensamente.
O resfriamento do óleo pode se dar de maneira natural, chamado de resfriamento
natural (LN), ou por ventilação forçada (LVP) quando, neste último caso, a
potência máxima permissível é maior que no caso da natural, devendo ser
observada nos dados de placa do transformador.