UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE – UFRN CENTRO DE TECNOLOGIA – CT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE Disciplina: Subestação de Energia Elétrica Docente: Marcos Antônio Dias de Almeida Discente: Francisco Carlos Gurgel da Silva Segundo
Relatório Técnico – Subestação da Escola de Ciências e Tecnologia – UFRN
Natal/RN Agosto/2011
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Este relatório visa descrever de forma esclarecedora a visita técnica à subestação da Escola de Ciências e Tecnologia (EC&T). O professor Marcos Dias de Almeida nos propôs essa visita para termos noção dos principais equipamentos usados em uma subestação a fim de um melhor aproveitamento da disciplina ELE0646 – Subestações de Energia Elétrica. A composição deste relatório é disposta de quatro itens, o qual o primeiro item faz uma abordagem sobre o que é uma subestação, sua forma de instalação e seus tipos. O segundo item descreve toda a visita à subestação da EC&T. O item seguinte descreve todos os equipamentos encontrados na subestação. O último item mostra as vistas superior, frontal e o diagrama unifilar da subestação.
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Antes de iniciarmos o relatório sobre a visita técnica à subestação da Escola de Ciências e Tecnologia (EC&T), vamos introduzir o conceito de subestação de energia elétrica, os tipos de subestações etc. Dessa forma, o leitor se sentirá familiarizado ao tema e adquirirá o máximo de conhecimento no decorrer do relatório. Subestação é um conjunto de condutores, aparelhos e equipamentos destinados a modificar as características da energia elétrica (tensão e corrente), permitindo a sua distribuição aos pontos de consumo em níveis adequados de utilização. (MAMEDE, 2003) Nos sistemas de potência atuais, encontramos diversos tipos de subestações, tais como: Subestação central de transmissão que consiste na elevação da tensão gerada para poder transmitir a potência aos centros urbanos com uma bitola do condutor menor. A subestação de transmissão é a subestação que transmite energia elétrica de um ponto a outro, entre dois sistemas de transmissão. Outro tipo de subestação é a Seccionadora, de manobra ou de Chaveamento que interliga circuitos de fornecimento sob mesmo nível de tensão, possibilitando a sua multiplicação. A subestação de distribuição tem a função de abaixar as tensões e transmitir energia dos circuitos de transmissão para as redes de distribuição primárias. E Subestação do consumidor é o tipo de subestação que será descrito no relatório que estas alimentam os pontos finais de consumo. O modo de instalação da subestação também deve ser levado em conta. Por isso, existem três formas de instalação de uma subestação. A subestação externa que é aquela onde os equipamentos são instalados ao tempo sujeito a intempéries do meio ambiente necessitando de um planejamento de manutenção rigoroso. A subestação interna ou abrigada é aquela onde os equipamentos são instalados dentro de uma estrutura montada com esta finalidade, este foi o tipo de instalação usado na subestação da EC&T. E o último tipo de instalação é a subestação blindada ao tempo no qual a subestação possui um invólucro em chapa de aço que fica exposta ao tempo.
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Segundo Norma da COSERN, uma subestação de consumidor é necessária quando a potência instalada do prédio ser superior a 75 kW. Procedendo assim, a COSERN exige que o fornecimento de energia elétrica em média tensão, 13,8 kV.
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A visita técnica à subestação da Escola de Ciências e Tecnologia (EC&T) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) iniciou-se às 7 horas do dia 18 de Agosto de 2011. Para efeito de um melhor aproveitamento da visita, o professor e cicerone da visita Marcos Dias dividiu a turma em dois grupos, sendo a visita do segundo grupo prevista para as 8 horas do mesmo dia. Conforme combinado em sala de aula, todos os alunos se encontraram na parte externa da subestação por trás da EC&T. No início da visita, o professor nos mostrou o projeto civil e elétrico da subestação apontando os principais equipamentos que compõem a subestação. De acordo com o projeto elétrico, vimos que se trata de uma subestação de barramento simples havendo dois transformadores em paralelo. Esse é o esquema de maior simplicidade e menor custo, com confiabilidade compatível com este tipo de suprimento. A subestação é do tipo abrigadade alvenariacom entrada dos cabos de alta tensão subterrânea a partir do poste.No poste, podemos visualizar que a estrutura é do tipo PL1-TS e nele encontramos outros elementos, como: as isolações dos cabos, as três chaves facas de 400 A, quatro muflas, caixa de aterramento e caixas de passagem. São quatro cabos que adentram a subestação, ou seja, as três fases e um condutor de reserva como pode ser atestado na figura 1. Outro aspecto visto foi que na subestação há telas nas partes de ventilação, que servem para proteção contra entrada de animais, seguindo as normas de segurança, todas as telas são aterradas para evitar choques elétricos.
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Toda subestação desse porte, possuem três módulos: proteção, medição e transformadores. Mas, esta subestação não possui o módulo de medição devidaesta ser feita na entrada da instituição, portanto, trata-se de uma unidade atípica possuindo somente os módulos de proteção e transformadores. No módulo de proteção, podemos visualizar que na entrada da subestação há chaves seccionadoras tripolar de 400 A acionada por alavanca. Por se tratar de uma chave seca, não podemos abri-las nem fechá-las com carga, para isso, devemos primeiramente abrir o disjuntor. Nessa subestação, o disjuntor é a gás Sf6 com corrente nominal de 400 A e uma capacidade de interrupção ou potência de curto-circuito de 380 MVA.A propósito, a capacidade de interrupção de um disjuntor representa o valor máximo da corrente de curto circuito (Icc) que o fabricante do disjuntor assegura que o mesmo pode suportar sem sofrer avarias. Se tais valores forem superados na ocorrência de um curto circuito, o respectivo disjuntor de proteção, ao invés de manter a integridade da instalação, poderá aumentar os danos físicos e consequentemente as despesas com o conserto dos estragos 7
ocorridos.Portanto, a capacidade de interrupção de 380 MVA é compatível com o nível de curto-circuito de 2062 A (trifásico). Outros elementos de proteção encontrados na subestação foram: transformador de potência (TP), transformador de corrente (TC) com relação de 300/5 e o relé de sobrecorrente do fabricante PEXTRON com funções 50/51N que é o equipamento de proteção da parte de alta tensão. Neste momento, o professor Marcos nos revelou o valor do nível de curto-circuito trifásico da subestação que é de 2062 A.
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De acordo com o módulo de transformadores, atestamos que se trata de uma subestação de 1 MVA composta por 2 transformadores a óleo natural de 500 kVA ligados em paralelo. O esquema de ligação do transformador é delta no lado de alta tensão e Y aterrado no lado de baixa tensão. O paralelamento de transformadores é feito em projeto quando um trafo já está com toda a sua capacidade aí adiciona outro em paralelo ou então, para dar melhor 8
confiabilidade ao sistema, projeta-se trafos em paralelo, pois quando um apresentar problemas, o outro pode assumir toda ou parcialmente as cargas que eram supridas pelo trafo defeituoso. E a sua carga é dividida dependendo da impedância do transformador. Todos os equipamentos de alta tensão da subestação possuem o seu NBI que é o Nível Básico de Isolação que determina a suportabilidade do equipamento em relação às sobretensões de origem externa e NIM (Nível de Impulso de Manobra) para as sobretensões de origem interna. Dessa forma, todos os equipamentos da subestação visitada com NBI 95 kV significa que suportam um valor de pico de tensão impulsiva dessa magnitude. Neste módulo, o professor nos mostrou os transformadores e como ocorre a refrigeração dos mesmos.Esta refrigeração acontece quando o transformador é aquecido, a partir do arrefecimento, o óleo circula pelo trafo fazendo esta refrigeração. Outro ponto importante levantado pelo professor Marcos foi que a maior probabilidade de curto-circuito acontece na bucha de entrada do transformador.
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Se o nível de tensão da subestação estiver fora dos valores estipulados pela concessionária, ou seja segundo a COSERN, as tensões devem estar entre 0,95 e 1,05 pu, podemos melhorar apenas alterando os tapes do transformador que são acessados através de uma tampa que fica em cima do trafo. Após os dois módulos, o professor nos mostrou o quadro de baixa tensão que são compostos por: disjuntores de baixa tensão, barramento de baixa tensão, dois CCK, quatro TC´s, sendo dois com relação de 800/5 para cada CCK, os CCK realizam as medições de tensão, corrente, potência no lado de baixa tensão da subestação. No final da visita, fomos ao compartimento onde fica o grupo motor-gerador, sendo o motor da Mercedes e o gerador da STEMAC. Esse grupo possui três TC´s e são responsáveis de prover energia, em caso de interrupção da concessionária, para iluminação, elevadores e tomada de uso geral. O grupo motor-gerador entra em funcionamento quando um dispositivo de controle percebe a interrupção, o gerador entra lentamente assumindo as cargas da sua competência. É muito importante ter um grupo motor-gerador em locais onde a tarifa cobrada é do tipo verde ou azul, pois em horário de ponta, onde o consumo de energia elétrica é mais caro, devido maior procura, pode-se usar o grupo para alimentar as cargas neste horário a fim reduzir os gastos com energia elétrica.
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Conforme orientado pelo professor Marcos Dias eno intuito de melhor aproveitamento do entendimento do relatório, será feita uma breve descrição dos equipamentos encontrados na subestação visitada.
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Chave faca é o método mais simples, em que não são empregados dispositivos especiais de acionamento. A chave de comando direto existe em grande número de modelos e diversas capacidades de corrente, sendo a chave faca a mais simples. Para uma maior segurança são utilizadas apenas para comandar equipamentos de pequenas correntes. Ex. Motores sem carga (a vazio), circuitos de sinalização e dispositivos de baixa potência. Como descrito no relatório, a chave-faca vista no poste possui as seguintes especificações: chave-faca unipolar 400 A-15kV NBI 95kV. Já a chave seccionadora é um dispositivo que tem por função a manobra de abertura ou desligamento dos condutores de uma instalação elétrica. A finalidade principal dessa abertura é a manutenção da instalação desligada. Esse dispositivo de comando é construído de modo a ser impossível que se ligue (feche) por vibrações ou choques mecânicos, só podendo portanto, ser ligado ou desligado pelos meios apropriados para tais manobras. No caso de chave seccionadora tripolar, esta deve garantir o desligamento simultâneo das três fases como é o caso da chave da subestação visitada a qual é acionada através de uma alavanca. As especificações dessa chave seccionadora são: Chave seccionadora tripolar 400 A/15kV-NBI 95kV de comando simultâneo. Na entrada de cada transformador também possui uma chave com essas especificações.
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4.2.
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O disjuntor é um dispositivo que, entre outros, é capaz de manobrar o circuito nas condições mais críticas de funcionamento, que são as condições de curto-circuito. Ressaltese que apenas o disjuntor é capaz de manobrar o circuito nessas condições, sendo que, interromper é ainda atributo dos fusíveis, que porém não permitem uma religação.
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De acordo com o site do fabricante, o disjuntor ABB HD4 são utilizados na distribuição de energia para o controle e proteção de linhas, subestações transformadoras e de distribuição, motores, transformadores, bancos de capacitores, etc. São também muito adequadas para reformas onde os materiais isolantes da instalação podem ser sensíveis a isolação dielétrica. Os seus dados técnicos são: Classe de tensão (kV): 12 - 40,5 Corrente nominal (A): 630 – 3600 Corrente nominal de abertura (kA): 16 - 5 No caso do disjuntor da subestação, este possui as seguintes especificações: Disjuntor SF6, 400 A, 15 kV.
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Os relés de proteção são dispositivos compactos que são conectados ao Sistema Elétrico de Potência e possuem características de projeto e funcionamento interessadas na detecção de condições anormais de operação que excedam limites toleráveis, e na inicialização de ações corretivas que possibilitem o retorno do Sistema Elétrico de Potência a seu estado normal. Tais equipamentos, sejam analógicos e ou digitais, são responsáveis pela análise das grandezas elétricas associadas à rede elétrica e pela lógica necessária à tomada de decisão pelo sistema de proteção, caso algum distúrbio seja encontrado.
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O relé encontrado na subestação é do fabricante PEXTRON URPE 7104 que possui 4 contatos de saídas para TRIP com atuação independentes, sendo 2 para a unidade temporizada e 2 para unidade instantânea, contatos de saídas para sinalização de partida das unidades instantânea e temporizada e fonte capacitiva incorporada na fonte de alimentação auxiliar. Uma descrição detalhada do produto é feita abaixo. Rele de sobrecorrente urpe 7104 - pextron
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Urpe 7104 Multifunção de sobrecorrente com fonte capacitiva Funções ANSI: 50 instantânea de fase 50N instantânea de neutro 51 temporizado de fase 51N temporizado de neutro 51GS temporizado de "GS" Características Técnicas: - Fonte capacitiva incorporada na alimentação auxiliar - Sobrecorrente trifásica - Sobrecorrente de neutro + gs - Cold-load pick-up - Filtro de harmônicas - Programação simples - Curvas padrão pré-ajustadas: ni - mi - ei - long - it - I2T - Amperímetro com multiplicador - Registro de corrente máxima - Funções lógicas e de bloqueio - Auto-check - Comunicação serial rs 485 - "modbus®"
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Transformador de Potencial (TP) é um equipamento usado principalmente para sistemas de medição de tensão elétrica, sendo capaz de reduzir a tensão do circuito para níveis compatíveis com a máxima suportável pelos instrumentos de medição. Sua principal aplicação é na medição de tensões com valores elevados, ou seja, em seu circuito primário 14
(entrada) é conectada a tensão a ser medida, sendo que no secundário (saída) será reproduzida uma tensão reduzida e diretamente proporcional a do primário. Assim, com menor custo e maior segurança, pode-se conectar o instrumento de medição (voltímetro)no secundário. A razão (divisão) entre a tensão no primário sobre a tensão apresentada no secundário de qualquer transformador é uma constante chamada de relação de transformação (RT). A RT é determinada na fabricação do TP pela razão entre o número de espiras do enrolamento primário sobre o número de espiras do enrolamento secundário, assim conhecendo-se a RT e a tensão no circuito secundário, tem-se o valor da tensão no circuito primário. Os TPs podem ser considerados especiais, pois são fabricados de forma a apresentar uma RT com ótima exatidão, ou seja, uma pequena variação na tensão do primário causará uma variação proporcional também no secundário, permitindo assim que indicação no voltímetro apresente uma incerteza de medição muito pequena. A tensão reduzida do circuito secundário do TP também é usada para alimentar, de forma igualmente segura, os circuitos de proteção e controle de subestações.
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4.5.
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O transformador de corrente (TC) é um dispositivo que reproduz no seu circuito secundário, a corrente que circula em um enrolamento primário com sua posição vetorial substancialmente mantida, em uma proporção definida, conhecida e adequada. Os transformadores de corrente, também chamados de transformadores de instrumentos, utilizados em aplicações de alta tensão (situações essas onde circulam, frequentemente, altas correntes), fornecem correntes suficientemente reduzidas e isoladas do circuito primário de forma a possibilitar o seu uso por equipamentos de medição, controle e proteção. As relações mais utilizadas no mercado são de xx/5A e xx/1A, ou seja, a corrente do primário é amostrada e tem como saída no secundário 5A ou 1A. Por exemplo: 1000/5A – Uma corrente no primário de 0 a 1000A é amostrada e no secundário teremos 0 a 5A. Esta aplicação é largamente utilizada em circuitos de medição, onde seria economicamente inviável medir utilizando equipamentos para altas correntes.
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Transformador é um dispositivo destinado a transmitir energia elétrica ou potênciaelétrica de um circuito à outro, transformando tensões, correntes e ou de modificar os valores das Impedância elétrica de um circuito elétrico. Trata-se de um dispositivo de corrente alternada que opera baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday e da Lei de Lenz. Há uma variedade de transformadores com diferentes tipos de circuito, mas todos operam sobre o mesmo princípio de indução eletromagnética. Outra característica importante do transformador é a isolação dos circuitos. O transformador da subestação é do fabricante WEG e estão ligados em paralelo. O paralelismo desses transformadores como já foi citado acima, se faz necessário em duas situações principais: Quando é necessário aumentar a carga de determinada instalação sem modificação profunda no leiaute da mesma; E quando, ao prevermos pane em um dos transformadores, quisermos continuar operando o sistema, mesmo à carga reduzida. A divisão da carga do transformador está intimamente ligado a sua impedância.Segundo o manual da WEG, pode-se calcular a potência fornecida individualmente, pelos transformadores de um grupo em paralelo, através da seguinte fórmula:
Onde:
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PF1...n = potência fornecida à carga pelo transformador [kVA] PN1...n = potência nominal do transformador [kVA] EM = tensão média de curto-circuito [%] E1...n = tensão de curto-circuito do transformador 1 ... n [%] Pc = potência solicitada pela carga [kVA]
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4.7.
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É um medidor de energia multifunção que permite o monitoramento do consumo, qualidade e perturbações que venham a ocorrer. A unidade CCK 4500 é um instrumento de medição para montagem em fundo de painel que dispõe de funções implementadas através da utilização de um microprocessador.
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Já com memória de massa incorporada, a unidade CCK 4500 é um multimedidor com características de analisador que substitui diversos equipamentos de medição (V, A, W, VAr, PF, f, etc.), capaz de medir e calcular todos os parâmetros elétricos de um sistema trifásico com 3 ou 4 fios, fornecendo parâmetros processados como Wh, VArh, potências médias e distorção harmônica total (D).
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Os motores a diesel são máquinas alternativas, de combustão interna, destinadas ao suprimento de energia mecânica ou força motriz de acionamento. Em função dos consumidores de energia elétrica a que se destinam, os grupos geradores são construídos com características especiais que os tornam apropriados para diversas aplicações. São muitos os fatores a serem considerados antes da aquisição do equipamento adequado. Os fornecedores de grupos geradores tendem a padronizar os seus produtos, evitando os fornecimentos especiais sob encomenda, o que na prática é inviável, pois há situações em que alguns requisitos do ambiente e dos consumidores não podem deixar deser atendidos. Para o dimensionamento do grupo gerador de emergência, é necessário conhecer, além dapotência ativa (kW), também a potência aparente (KVA) ou o fator de potência(cosj) e o fator de simultaneidade. No caso da subestação visitada, o grupo motor-gerador foi adquirido da empresa STEMAC Grupos Geradores. Os dados de placa do grupo mostram que trata-se de um motor da Mercedes, modelo 0M447-LA507. O gerador é Cramaco e seu modelo G2R. O grupo gera em tensão 220, 380 e 440 Vdependendo do esquema de ligação e possui um fator de potência de 0,8 e uma rotação de 1800 rpm. O gerador trifásico tipo G2R sem escovas (brushless) está formado pela máquina principal, no qual se inclui o bobinado auxiliar, uma excitatriz de corrente alternada trifásico com retificadores giratórios e um regulador de tensão estático.
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Atendendo a propo ta do professor Marcos Dias e com o intuit de familiarizarmos com projeto de subestaçõ s. Abaixo é mostrado o diagrama unifilar da subestação e as vistas frontal e superior da subestação da Escola de Ciências e Tecnolog ia da UFRN.
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Nesta visita técnica podemos visualizar os principais equipamentos que compõe uma subestação de energia elétrica e o seu esquema de funcionamento. Um fator importante nessa visita foi que junto à subestação existe um grupo motor-gerador que supre as cargas em momento de falta energia elétrica por parte da concessionária. Com certeza, essa visita nos ajudará bastante no decorrer da disciplina e poder encontrar na prática os conhecimentos adquiridos em sala de aula nos garante que os assuntos vistos realmente ajudarão na vida profissional.
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[1] Projeto de subestação da CEHOP (Companhia Estadual de Habitação e Obras Públicas). [2] Memorial Descritivo de Subestação. Lince Engenharia LTDA. Engenheiro Projetista: Rogêrio Rocha Souza [3] Características e Especificações de Transformadores de Distribuição e Força. Empresa WEG [4] Grupos Geradores. Princípios de funcionamento, Instalação, Operação e Manutenção de Grupos Geradores [5] Manual de Instruções para uso e Manutenção Série do Gerador Síncrono G2R 160/200/250/280/315/400. Quatro pólos sem escovas. [6] CCK 4300. Medidor de energia Multifunção. [7] JÚNIOR, F. G. F. Estudo do Consumo e Qualidade da Energia Elétrica no campus Universitário Central da UFRN. Agosto, 2003. [8] Apostila Subestações: Tipos, Equipamentos e Proteção. Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca. 1999 Sites Visitados [9]http://www.pextron.com.br/paginas/informacoestecnicas/duvidas/protecaoeletrica/protec aoeletrica.html [10]http://www.solostocks.com.br/venda-produtos/eletricidade-equipamentoseletricos/protecao-eletrica/rele-de-sobrecorrente-urpe-7104-pextron-797016
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