Elementos de subestação

ELEMENTOS DE
SUBESTAÇÃO
Equipamento de Transformação –
Transformador de Força e de Instrumento.

Equipamento de Proteção – Para Raios, Relés
e Fusíveis

Diego Moraes de Carvalho
Rafael Franco Silveira

EQUIPAMENTO DE
TRANSFORMAÇÃO
Transformador de Força e de Instrumento

Transformador de Potência

Os transformadores de potência são destinados a
rebaixar ou elevar a tensão e consequentemente elevar
ou reduzir a corrente de um circuito, de modo que não se
altere a potência do circuito.

Tipos

• Transformador de Força - utilizados para gerar, transmitir e
distribuir energia em subestações e concessionárias. Possuem
potência de 5 até 300MVA. Quando operam em alta tensão de
138kV até cerca de 800kV.

• Transformador de Distribuição - utilizados para rebaixar a
tensão para ser entregue aos clientes finais das empresas de
distribuição de energia. São normalmente instalados em
postes ou em câmaras subterrâneas. Possuem potência de 30
a 300kVA; em tensão de 13,8kV até cerca de 69kV, já o
transformador de baixa tensão tem 380/220 ou 220/127V

Transformador de Força

• Classificados segundo o seu meio isolante, podendo ser
a óleo mineral, a líquidos isolantes sintéticos pouco
inflamáveis (silicone) e secos.

• Dependendo da aplicação, estes equipamentos são
fabricados com comutadores de tensão sem carga
(NLTC), com carga (OLTC) - ou uma combinação de
ambos.

Tipos

• Transformadores elevadores GSU (Generator Step-up
Transformer) – elevam a tensão gerada até uma tensão de
transmissão, que pode ser de 245, 362, 420, 550 e até 800kV.

• Transformadores abaixadores - reduzem a tensão desde o
nível de transmissão – de 230 a 800kV - até o nível apropriado
de distribuição, normalmente entre 13,8 e 34,5kV;

• Transformadores para interconexão de sistemas –
Interligam sistemas de transmissão com diferentes níveis de
tensão de tal forma que a potência (tanto ativa quanto reativa)
possa ser intercambiada entre os sistemas.

Transformador de Instrumentos
• Essenciais na realização das funções de medição e de
proteção nos sistemas elétricos de potência;

• Podem-se medir, com segurança, os elevados valores de
tensão e de corrente utilizados na produção, transmissão
e distribuição de energia elétrica e, assim, fornecer as
informações necessárias para faturamentos de demanda,
consumo de energia e também para a atuação com
precisão dos sistemas de proteção, garantindo um
funcionamento mais seguro dos equipamentos,
subestações e linhas de transmissão a que estão
associados

Transformadores de Corrente

• Instrumento cujo enrolamento primário é ligado em série
a um circuito elétrico e cujo enrolamento secundário se
destina a alimentar bobinas de correntes de instrumentos
elétricos de medição e proteção ou controle;

• São classificados
de acordo com a sua
construção mecânica;

TC – Tipos
• Tipo Primário Enrolado – enrolamento primário
constituído de uma ou mais espiras envolve
mecanicamente o núcleo do transformador;

• Tipo Barra – primário é constituído por uma barra,
montada permanentemente através do núcleo do
transformador;

TC – Tipos
• Tipo Janela – não possui primário próprio e é constituído
de uma abertura através do núcleo, por onde passa o
condutor do circuito primário;

• Tipo Bucha – tipo especial de TC tipo janela é construído
e projetado para ser instalado sobre uma bucha de um
equipamento elétrico, fazendo parte integrante do
fornecimento deste;

TC – Tipos

• Tipo Núcleo Dividido – este tipo possui o enrolamento
secundário completamente isolado e permanentemente
montado no núcleo, mas não possui enrolamento
primário. Parte do núcleo é separável ou articulada para
permitir o enlaçamento do condutor primário;

Uso

• Serviço de Medição – A designação dos TC’s, de acordo com
a ABNT, é feita indicando a classe de exatidão seguida da
carga nominal com a qual se verifica esta exatidão. Já a
designação de acordo com a ANSI é feita indicando a classe
de exatidão seguida da letra “B” e da impedância da carga
nominal com a qual se verifica esta exatidão;

• Exemplos:
• 0,6 – C50,0 (ABNT)
• 0,3 – C2,5 (ABNT)
• 0,6B – 2,0 (ANSI)
• 0,3B – 0,1 (ANSI)

Uso
• Serviço de Proteção – A designação dos TC’s, de
acordo com a ABNT e ANSI, é feita de acordo com a
tabela abaixo:
Características Nominais Designação
Impedânci Classe Potênci
Tensão ABNT (EB-
a de a ANSI (C.57.13)
Secundá 251.2)
Secundári Exatidã Aparent Rev. 1968
ria (V) Ver. 1980
a Interna o (%) e (VA)
10 2,5 10 T 10 10A 10
10 5 20 T 20 10A 20
10 12,5 50 T 50 10A 50
Alta 10 25 100 T 100 10A 100
10 50 200 T 200 10A 200
10 100 400 T 400 10A 400
10 200 800 T 800 10A 800
10 2,5 10 C 10 10B 10
10 5 20 C 20 10B 20
10 12,5 50 C 50 10B 50
Baixa 10 25 100 C 100 10B 100
10 50 200 C 200 10B 200
10 100 400 C 400 10B 400
10 200 800 C 800 10B 800

Transformadores de Potencial
• O transformador de potencial (TP) é um transformador
para instrumento cujo enrolamento primário é ligado em
derivação a um circuito elétrico e cujo enrolamento
secundário se destina a alimentar bobinas de potencial
de instrumentos elétricos de medição e proteção ou
controle;

• Semelhantes aos transformadores de distribuição
convencionais mas consomem baixa potência.

Características
• Os TPs variam conforme sua classe de exatidão. Para as
medições de supervisão e controle utiliza-se TP com
erros de relação menores ou iguais a 0,3% com desvio
de fase de 15 minutos. A tabela abaixo apresenta as
classes de exatidão para TP de acordo com a norma IEC
60014-1.
Limite dos Erros
Classe de Erro de
Carga (%) Corrente Desvio de Aplicação
exatidão relação
(%) fase (min)
(%)
0,1 25-100 80-120 0,1 5 Laboratório
0,2 25-100 80-120 0,2 10 Medição
0,5 25-100 80-120 0,5 20 Medição
1 25-100 80-120 1 40 Industrial
Instrumento
3 25-100 80-120 3 -
s
3P 25-100 5-Vf 3 120 Proteção
6P 25-100 5-Vf 6 240 Proteção

TP – Tipos
• Tipo Indutivo – construídos segundo três grupos:

• Grupo 1 - são aqueles projetados para ligação entre fases. São
basicamente os do tipo utilizados nos sistemas de até 34,5 kV;

• Grupo 2 - são aqueles projetados para ligação entre fase e neutro
de sistema diretamente aterrados;

• Grupo 3 - são aqueles projetados para ligação entre fase e neutro
de sistemas onde não se garante a eficácia do aterramento.

TP – Tipos
• Tipo Capacitivo – basicamente utilizam-se de dois
conjuntos de capacitores que servem para fornecer um
divisor de tensão e permitir a comunicação através do
sistema carrier.

Para-raios
Durante a sua vida útil, os para-raios são submetidos
diferentes solicitações elétricas e ambientais:

• Tensão normal de operação;
• Sobretensões temporárias;
• Descargas de longa duração ou de alta intensidade e
curta duração;
• Contaminação externa do invólucro, quando instalados
em ambientes poluídos;
• Variações climáticas, exposição a raios ultra-violeta,
umidades elevadas, etc.

Características Construtivas

Para raios com Gap e resistor não-linear:
São constituídos basicamente:

• Resistor não-linear;
• Corpo de porcelana;
• Centelhador serie;
• Desligador automático;
• Protetor contra sobrepressao;
• Mola de compressão.

Características Construtivas

Para raios com Óxido de Zinco:
São constituídos basicamente:

• Resistor não-linear;
• Corpo de porcelana;
• Corpo Polimérico.

Critérios para seleção e aplicação de
para-raios em subestações
• Seleção das características de operação e de proteção
dos para-raios, em função das características dos
sistemas;

• Seleção ou determinação da suportabilidade da isolação;

• Avaliação da coordenação do isolamento.

Localização dos para-raios nas
subestações
• Subestações abrigadas com entrada subterrânea:

subestações
• Subestações abrigadas com entrada aérea:

subestações

• Subestações de instalação exterior:

subestações
• Instalação de captores Franklin em subestações de
potencia de instalação exterior:

Disjuntores
• Principais e mais eficientes equipamentos utilizados nas
subestações;

• No estado ligado ou desligado deve suportar as
condições necessárias para seu funcionamento;

• Mesmo operando muitos meses em condições diversas
climáticas deve atuar normalmente;

• Deve haver um bom dimensionamento para haver uma
boa confiabilidade.

Aspectos Construtivos
Disjuntores a sopro magnético

• O arco voltaico é extinto nas câmaras de extinção;

• As forças que impelem o arco para dentro das fendas da
câmara são produzidas pelo campo magnético da própria
corrente, passando por uma ou mais bobinas;

• Eventualmente é também de auxilio um sopro
pneumático auxiliar;

• São utilizados em média tensão de até 24KV.


Disjuntor a óleo

• É utilizado o óleo para extinguir o arco elétrico;

• Utilizado o efeito do Hidrogênio e o efeito de fluxo líquido.

• Disjuntor a óleo

Disjuntor a vácuo

• Baseia-se no principio da extinção do arco elétrico no
vácuo pois no vácuo inexiste íons positivos e elétrons;

• Os íons positivos e elétrons são fornecidos pela nuvem
de partículas metálicas provenientes da evaporação dos
contatos formando o substrato para o arco voltaico;

• Rápida recuperação da rigidez dielétrica, o que permite
altas capacidades de ruptura em câmaras relativamente
pequenas.

Disjuntor a vácuo


Disjuntor a ar comprimido

• O mecanismo eletropneumático além de proporcionar a
abertura e fechamento dos contatos faz a extinção do
arco;

• Consiste em criar um fluxo de ar sobre o arco, fluxo este
provocado por um diferencial de pressão.

• Disjuntor a ar comprimido

Disjuntor a SF6

• Este gás possui uma série de propriedades físicas e
químicas que o torna um meio isolante e extintor, por
excelência;

• Se comporta como um gás nobre;

• As características isolantes do SF6 variam em função da
pressão (na realidade em função da densidade) e são
bastante superiores aquelas dos meios isolantes mais
comuns usados em disjuntores que são o óleo mineral e
o ar comprimido.

• Disjuntor a SF6

Relés

• Trabalham em conjunto com os disjuntores auxiliando na
proteção;

• A corrente passando em sua bobina de acionamento cujo
deslocamento do êmbolo, imerso no campo magnético
formado por essa corrente, faz movimentar o mecanismo
de acionamento do disjuntor.

Relés
De modo geral os relés são assim classificados:

• Relés de tensão

• Relés de corrente

• Relés de frequência

• Relés direcionais

• Reles de impedância

Relés
Os relés são divididos em duas categorias.

Primários:
• Conhecidos como relés de ação direta;

• Empregados em pequenas e medias instalações
industriais;

• Geralmente, dispensam transformadores redutores;

• Não necessitam de fonte auxiliar para promoverem o
disparo do disjuntor.

Relés
Secundários:

• Também conhecidos como reles de ação indireta;

• Amplamente utilizados nas instalações de médio e
grande porte;

• Necessitam de transformadores redutores como fonte de
alimentação;

• Requerem, em geral, uma fonte auxiliar de corrente
continua ou de corrente alternada.

Relés
Quanto à forma construtiva os relés são divididos em:

Fluidodinâmicos
• Utilizam líquidos, em geral, o óleo de vaselina, como
elemento temporizador;
• Normalmente são construídos para ligação direta com a
rede;
• Possuem um embolo móvel que se desloca no interior de
um recipiente, no qual é colocada certa quantidade de
óleo, que provoca a sua temporização quando o embolo
é deslocado para fora do recipiente pela ação do campo
magnético formado pela bobina ligada diretamente ao
circuito a ser protegido.

Relés

Eletromagnéticos:
• O principio de funcionamento se baseia na força de
atração exercida entre elementos de material magnético;
• A força eletromagnética desloca um elemento móvel
instalado no circuito magnético de modo a reduzir sua
relutância;
• Mesmo sendo muito encontrado em instalações antigas
que o possuem, não é mais utilizado.

Relés
Eletrodinâmicos:

• Funcionam dentro do principio básico de atuação de duas
bobinas – uma móvel interagindo dentro de um campo
formado por outra bobina fixa, tal como se constroem os
instrumentos de medida de tensão e corrente conhecidos
como os de bobina móvel;
• Na realidade, eles não tem aplicação notável como
elementos de proteção de circuitos primários, apesar de
sua grande sensibilidade;
• Por outro lado, apresentam um custo normalmente
superior aos demais citados anteriormente.

Relés

Indução:

• Também conhecidos como secundários;
• Tendo sido largamente empregados em subestações
industriais de potência e concessionarias de serviço
publico, na proteção de equipamentos de grande valor
econômico.

Relés

Térmicos:

• Eles são atravessados pela corrente de fase do sistema,
diretamente ou por meio de transformadores de corrente,
e, através dos elementos térmicos com características
semelhantes às características térmicas do equipamento
que se quer proteger, atuam sobre o circuito de
alimentação da bobina do disjuntor, desenergizando o
sistema antes que a temperatura atinja valores acima do
máximo permitido para aquela maquina em particular.

Relés

Eletrônicos:

• Fruto do desenvolvimento tecnológico da eletrônica dos
sistemas de potencia;
• Na época em que eram fabricados atendiam a todas as
necessidades de proteção dos sistemas elétricos,
competindo em preço e desempenho com os modelos
eletromecânicos, exceto em pequenos sistemas, quando
se podiam utilizar os reles convencionais de ação direta,
dispensando-se os transformadores de medida e as
fontes auxiliares de alimentação.

Relés
Digitais:

• É uma proteção baseada em técnicas de
microprocessadores;
• Mantem os mesmos princípios das funções de proteção e
guardam os mesmo requisitos básicos aplicados aos
reles eletromecânicos ou de indução e aos reles estáticos
ou eletrônicos;
• No entanto, os reles digitais oferecem, além das funções
dos seus antecessores, novas funções aos seus usuários
adicionado maior velocidade, melhor sensibilidade,
interfaceamento amigável, acesso remoto,
armazenamento de informações etc.

Fusíveis
• Dispositivos protetores que são utilizados para evitar que,
em caso de curto-circuito ou sobrecargas um circuito
venha sofrer danos;

• Seccionamento e proteção que, pela fusão de um ou
mais de seus componentes, especialmente projetado e
dimensionado, abre o circuito no qual está inserido e
interrompe a corrente elétrica quando esta superar um
dado valor por um dado intervalo de tempo;

• Elo Fusível - é a parte do fusível que inclui o elemento
fusível e que requer substituição depois da operação e
antes que o fusível seja posto novamente em serviço.

Fusíveis HH
• Média tensão, consistem basicamente de um tubo de cerâmica
com terminais, um corpo suporte para o elo de prata enrolado
nesse corpo;

• Corpo suporte de cerâmica em forma de estrela separa as
passagens ou estrangulamentos do elo;

• Elementos enrolados dentro das ranhuras não são
tencionados e impossibilitados de se deslocar por vibração,
expansão térmica ou qualquer outro efeito mecânico;

• O elo é totalmente envolvido pelo meio de extinção, de forma
que sempre tem um certo volume de areia para extinguir o
arco.

Fusíveis – Corrente Crítica

• Todos os fusíveis têm uma faixa de corrente crítica onde
acontece a maior solicitação térmica, durante o
desligamento da corrente. As correntes críticas são
relativamente baixas;

• A corrente crítica é definida pela IEC 282 como a corrente
10ms de tempo de fusão multiplicado pelo fator 3 a 4.

Fusíveis – Corrente Mínima
• Àquela em que o fusível consegue interromper sem ajuda de
dispositivos mecânicos. O valor é entre 2 a 3 vezes a corrente
nominal;

• Em caso de curto-circuito todas as passagens queimam
instantaneamente, isso não acontece na faixa de sobrecargas
baixas, devido às tolerâncias na fabricação os e a disposição
geométrica, queimam sempre passagens antes (geralmente as
do centro), quais nesse caso devem suportar uma tensão bem
mais elevada;

• Para evitar que fusíveis operem em correntes mínimas usa-se
o percussor em combinação com uma seccionadora de carga
que neste caso trata de interromper a corrente.

Elos Fusíveis
• Esses elos são utilizados em chaves fusíveis instaladas
em cruzetas/postes de redes de distribuição- tensões
nominais de 1 KV a 36,2 KV;

• Os tipos de elos fusíveis são:
• H - elos fusíveis de alto surto, com alta temporização para
correntes elevadas - correntes nominais padronizadas: 1A, 2A, 3A
e 5A;
• K - elos fusíveis rápidos - Grupo A: corrente
nominais padronizadas: 6A, 10A, 15A, 25A, 40A, 65A, 100A, 140A
e 200A. - Grupo B: 8A, 12A, 20A, 30A, 50A e 80A;
• T - elos fusíveis lentos - Grupos A e B: correntes
nominais idênticas as dos tipos K, porem com valores de rapidez
maiores do que esses

Fusíveis de alta Tensão

• Elementos fusíveis tipo cartucho - geralmente
são dimensionados para pequenas correntes e utilizados,
em vários casos, para suprir a ausência do disjuntor no
circuito

Informações Importantes

• Corrente nominal do elo fusível;

• Intercambiabilidade elétrica e mecânica de elos fusíveis;

• Coordenação da Proteção;

• Composição (suporte base, isolador, gancho, olhal, porta-
fusível, elo-fusível, argola)

Identificação do Fusível

• As seguintes informações devem ser marcadas em todos
os fusíveis, com exceção dos muito pequenos:

• Nome ou marca registrada, pela qual pode ser facilmente
identificado;
• Referência de catálogo ou designação de tipo;
• Tensão e corrente nominal;
• Faixa de interrupção e categoria de utilização (código de letra),
quando aplicável;
• Tipo de corrente e, se aplicável, freqüência nominal.

Observações Complementares
• Pode ser indicado também a capacidade de ruptura de corrente
em KA - função da corrente nominal e do valor e tipo da tensão que
ele será submetido;

• Para o tipo de fusível NH inclui-se também o tamanho físico e
consequentemente as mesmas características citadas para os tipos
Diazed/Neozed/Silized;

• Os fusíveis são utilizados em série, ou seja, entre a fase e a carga.

• Exemplo de Normas ABNT aplicável para Elo-Fusível:

• NBR - 5369 - Elos Fusíveis de Distribuição – Especificação.
• NBR - 8124 - Chaves Fusíveis de Distribuição – Padronização

Referencias Bibliográficas
• http://www.fundec.edu.br/tecnico/seguranca_trabalho/trabalhos/1.4.1
%20-%20Para-raios.pdf
• http://paginas.fe.up.pt/~jrf/aulas0506/sobreintensidade/resumo_sp.pdf
• http://richardcoleon.files.wordpress.com/2011/12/capc3adtulo-5.pdf
• MAMEDE, João. Manual de equipamentos elétricos, 1994, 2ª ed,
LTC, p. 173-218.
• http://www.energy.siemens.com/br/pt/transmissao-de-
energia/transformadores/transformadores-de-
potencia/transformadores-de-forca.htm
• http://www.posmci.ufsc.br/teses/fbm.pdf
• http://www.dee.feis.unesp.br/pos/teses/arquivos/281-
dissertacao_Renzo_Fabian_Espinoza.pdf
• http://www.braspel.com.br/transformadores-de-potencial-interna-
bps12.html
• http://www.gardy.ind.br/pdf/85fusivel.pdf

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