0 UNESP Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá PROJETO ELÉTRICO BÁSICO DE UMA SUBESTAÇÃO INDUSTRIAL TÍPICA NA CLASSE 15kV Guaratinguetá 2013 1 MATHEUS JOUAN RAYMUNDO DA SILVA PROJETO BÁSICO DE UMA SUBESTAÇÃO INDUSTRIAL TÍPICA NA CLASSE 15kV Trabalho de Graduação apresentado ao Conselho de Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Graduação em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. Rubens Alves Dias Guaratinguetá 2013 2 S586p Silva, Matheus Jouan Raymundo da Projeto elétrico básico de uma subestação industrial típica na classe 15 kV / Matheus Jouan Raymundo da Silva – Guaratinguetá : [s.n], 2013. 102 f : il. Bibliografia: f. 98-102 Trabalho de Graduação em Engenharia Elétrica – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2013. Orientador: Prof. Dr. Rubens Alves Dias 1. Subestações elétricas I. Título CDU 621.311.4 3 4 DADOS CURRICULARES MATHEUS JOUAN RAYMUNDO DA SILVA NASCIMENTO 25.04.1986 – LORENA / SP FILIAÇÃO Sueli Guimarães Jouan da Silva Carlos Roberto Beto Raymundo da Silva 2008/2013 Curso de Graduação em Engenharia Elétrica na Universidade Estadual Paulista – Campus de Guaratinguetá 5 de modo especial, dedico este trabalho de conclusão da graduação aos meus pais Carlos e Sueli e meu irmão Raphael, que sempre incentivaram e ajudaram na minha vida acadêmica, meus amigos e colegas de faculdade que sempre me deram força durante a graduação para que fosse possível a concretização deste trabalho. 6 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a minha família, meus pais Carlos e Sueli e meu irmão Raphael, pelo apoio e incentivo que eles me deram nesse percurso acadêmico e por toda vida. Agradeço ao meu professor orientador, Prof. Dr. Rubens Alves Dias por me incentivar e de me dar à oportunidade de fazer esse trabalho. Agradeço aos meus colegas da UNESP do Campus de Sorocaba com quem estudei, compartilhei e convivi momentos durante um ano e meio em que cursei Engenharia Ambiental. Agradeço aos meus colegas da UNESP do Campus de Guaratinguetá em que passei cinco anos estudando e fazendo grandes amizades que espero levar para vida toda. Agradeço a todos os professores e funcionários da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, em especial ao departamento de Engenharia Elétrica. Agradeço a empresa que trabalhei MVA ENGENHARIA, que me deu oportunidade de aprender e por em prática os conhecimentos absorvidos da vida acadêmica. Finalmente agradeço a Deus, por ter me guiado e me dado força por todo esse tempo, para enfrentar e superar os problemas que aconteceram durante este percurso da minha vida. 7 “O sucesso nasce do querer, da determinação e persistência em se chegar a um objetivo. Mesmo não atingindo o alvo, quem busca e vence obstáculos, no mínimo fará coisas admiráveis”. Jose de Alencar 8 SILVA, M. J. Projeto elétrico básico de uma subestação industrial típica na classe 15 kV.. 2013. 102p. Trabalho de graduação. (Graduação em Engenharia Elétrica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2013. RESUMO As subestações de energia elétrica tem a finalidade de transmitir, distribuir e alterar as características da energia elétrica das redes de transmissão das concessionárias até os consumidores com um alto grau de confiabilidade e continuidade. Para isso é necessário realizar uma coleta de dados proveniente da concessionária local onde será instalada a subestação para elaborar um bom projeto elétrico. Este trabalho tem como objetivo reunir todos os conteúdos referentes a projetos elétricos de subestação que se encontram dispersos na literatura, de forma a organizar e elaborar um roteiro básico que apresente uma metodologia de dimensionar os equipamentos elétricos pertencentes de uma subestação industrial abrigada na classe 15 kV. Além de elaborar um roteiro básico, este trabalho ajuda a especificar equipamentos elétricos instalados na subestação, trazendo informações e comparações para saber e determinar o tipo de equipamento a ser utilizado, de uma maneira correta e coerente com as normas nacionais e internacionais. Por fim, após determinado, obtidos e especificados todos os equipamentos pertencentes a uma subestação industrial abrigada, o trabalho cita de uma forma global como calcular o dimensionamento do arranjo físico da subestação, determinando todas as dimensões mínimas e exigidas de cada cubículo. PALAVRAS-CHAVE: subestação, equipamentos elétricos, projeto básico. 9 SILVA, M. J. Basic electrical project of a typical substation industrial 15 kV. 2013. 102p. Graduate Work (Graduation in Electrical Engineering) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2013. ABSTRACT The electrical substations have the goal to transmit, distribute and change the characteristics of electrical energy transmission networks of dealers to the end user with a high rate of reliability and continuously. For this it’s necessary to accomplish a gathering of datas from the local dealers where will be installed the substation to make a good electric project. This work has the objective to gather all the contents relatives to electric project of substation that are scattered in the literature, in order to organize and develop a basic guide that presents a methodology to dimension electrical equipments that belong to an industrial substation at 15 kV. In addition to elaborate a basic guide, this work aids to specify electrical equipments installed in the substation, bringing information and comparisons to know and determinate the kind of equipments that will be used, in a correct and coherent way with the national and international rules. Ultimately, after determined, got and specified all the equipments that belongs to an industrial substation, the work mention in global manner how to calculate the dimension of substation physical arrangement, determining all the least and required dimensions of each cubicle. KEYWORDS: substation, electrics equipments, basic project. 10 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 – Relatório estatístico de acidentes do setor elétrico brasileiro. ................ 25 Figura 2.2 – Área de Trabalho do Ecodial Advance Calculation. ....................................... 27 Figura 2.3 – Área de Trabalho do DocWin. ........................................................................ 28 Figura 2.4 – Área de Trabalho do Simaris .......................................................................... 28 Figura 2.5 – Área de Trabalho do Id-Spec Large. ............................................................... 29 Figura 3.1 – Pára-Raio do tipo óxido de zinco .................................................................... 36 Figura 3.2 – Mufla ............................................................................................................... 37 Figura 3.3 – Componentes de um cabo unipolar de média tensão ...................................... 37 Figura 3.4 – Bucha de passagem do tipo interior/exterior classe 15 kV ............................. 38 Figura 3.5 – Isolador do tipo pedestal 15 kV ...................................................................... 39 Figura 3.6 – Tipos de transformadores de correntes ........................................................... 41 Figura 3.7 – Transformador de potencial, classe 15 kV. ..................................................... 42 Figura 3.8 – Chave seccionadora simples tripolar ............................................................... 44 Figura 3.9 – Curva típica de fusível, catálogo WEG ........................................................... 46 Figura 3.10 – Chave seccionadora acoplado com fusível tripolar ....................................... 46 Figura 3.11 – Disjuntor tripolar á vácuo classe 15 kV ........................................................ 49 Figura 3.12 – Relé de proteção multifunção digital ............................................................ 50 Figura 3.13 – Transformador a seco, classe 15 kV ............................................................. 51 Figura 3.14 – Busway .......................................................................................................... 55 Figura 3.15 – Disjuntores de baixa tensão, da esquerda para direita: disjuntores modulares, disjuntor do tipo caixa moldada e disjuntor do tipo aberto. ........................... 56 Figura 3.16 – Triângulo de potência .................................................................................... 59 Figura 3.17 – Diagrama unifilar do cubículo de entrada da subestação. ............................. 63 Figura 3.18 – Diagrama unifilar do cubículo de medição da subestação. ........................... 64 Figura 3.19 – Diagrama unifilar do cubículo de proteção da subestação ............................ 65 Figura 3.20 – Diagrama unifilar do cubículo de transformação da subestação ................... 66 Figura 4.1 – Seção mínima dos condutores ......................................................................... 80 Figura 4.2 – Fator de temperatura ....................................................................................... 81 Figura 4.3 – Fator de agrupamento ...................................................................................... 82 Figura 4.4 –Temperatura característica dos condutores ...................................................... 83 11 Figura 4.5 – Diagrama unifilar geral da subestação ............................................................ 87 Figura 4.6– Arranjo físico do cubículo de transformação ................................................... 90 Figura 4.7 – Arranjo físico do cubículo de proteção ........................................................... 91 Figura 4.8 – Arranjo físico do cubículo de medição ........................................................... 93 Figura 4.9 – Arranjo físico do cubículo de entrada ............................................................. 94 Figura 4.10 – Arranjo físico da subestação ......................................................................... 95 Figura 4.11 – Arranjo físico da subestação vista lateral ...................................................... 96 12 LISTA DE QUADROS Quadro 3.1 – Comparativo entre fusíveis limitadores e disjuntores de potência ................ 48 Quadro 3.2 – Comparativo entre os tipos dos disjuntores ................................................... 49 Quadro 3.3 – Classificação construtiva dos quadros de baixa tensão ................................. 58 13 LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 – Valores das características elétricas dos pára-raios ........................................ 35 Tabela 3.2 – Dimensão de barramento ................................................................................ 40 Tabela 3.3 – Distância mínima entre os barramentos .......................................................... 40 Tabela 3.4 – Valores das características elétricas da chave seccionadora trioplar classe 15 kV .................................................................................................. 45 Tabela 3.5 – Características elétricas de barramentos blindados de cobre. ......................... 55 Tabela 4.1 – Lista de cargas instaladas no QGBT. .............................................................. 69 Tabela 4.2 – Folha de dados das muflas .............................................................................. 70 Tabela 4.3 – Folha de dados dos pára-raios ........................................................................ 71 Tabela 4.4 – Folha de dados dos isoladores ........................................................................ 71 Tabela 4.5 – Folha de dados dos condutores de média tensão ............................................ 72 Tabela 4.6 – Folha de dados do transformador de potência ................................................ 73 Tabela 4.7 – Folha de dados do disjuntor geral de média tensão ........................................ 75 Tabela 4.8 – Folha de dados dos transformadores de corrente ............................................ 76 Tabela 4.9 – Folha de dados dos transformadores de potencial .......................................... 76 Tabela 4.10 – Folha de dados da chave seccionadora ......................................................... 78 Tabela 4.11 – Folha de dados do disjuntor geral de baixa tensão ....................................... 79 Tabela 4.12 – Dimensionamento dos condutores de baixa tensão ...................................... 84 Tabela 4.13 – Folha de dados dos condutores de baixa tensão ........................................... 84 Tabela 4.14 – Folha de dados do QGBT ............................................................................. 85 Tabela 4.15 – Folha de dados do banco de capacitores ....................................................... 86 14 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AIS - Air Insulated Switchgear ABB - Asea Brown Boveri ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas ANEEL - Agência Reguladora de Energia Elétrica ANSI - American National Standards Institute BCP - Banco de Capacitores BT - Baixa Tensão CCM - Centro de Controle de Motores CH - Chave Seccionadora DJ - Disjuntor de baixa tensão DJG - Disjuntor geral de média tensão EPR - Etileno-Propileno GIS - Gas Insulated Switchgear IEC - International Electro-technical Commission MT - Média Tensão MTE - Ministério do Trabalho e Emprego NB - Antigas Normas Brasileiras NBR - Normas Brasileiras NR - Norma Regulamentadora PPTA - Conjunto de manobra de controle de baixa tensão com ensaios de tipo parcialmente testados PVC - Cloreto de Polivinila QDL - Quadro de Distribuição de Luz QGBT - Quadro Geral de Baixa Tensão QGF - Quadro Geral de Força SSCP - Sistema de Supervisão e Controle Predial SE - Subestação SF6 - Hexafluoreto de Enxofre SiC - Carbonato de Silício SPDA - Sistema de Proteção Contra Descarga Atmosférica TC - Transformador de Corrente TF - Transformador TP - Transformador de Potencial TTA - Conjunto de manobra de controle de baixa tensão com ensaios de tipo totalmente testados XLPE - Polietileno Reticulado ZnO - Óxido de Zinco 15 LISTA DE SÍMBOLOS Dd Dimensão do disjuntor de potência m Dmáx Demanda máxima da instalação kVA Dméd Demanda média da instalação do período kVA Dpp Dimensão do posto de proteção, comprimento ou largura m Dpt Dimensão do posto de transformação, comprimento ou largura m Dt Dimensão do transformador m Fc Fator de carga Fd Fator de demanda Fp Fator de potência Hab Afastamento do barramento mm Hac Distância entre chave seccionadora e o dispositivo de proteção mm Hc Altura da chave seccionadora mm Hi Altura do isolador mm Hse Altura da subestação mm Ht Altura do transformador mm Ic Corrente da carga A Icc-sec Corrente de curto-circuito no lado secundário do transformador kA Ics Corrente simétrica de curto-circuito kA Inf Corrente nominal do fusível limitador A Inp Corrente nominal no primário A Ins Corrente nominal no secundário do transformador A Lc Comprimento do circuito m Lp Largura da porta de acesso m P Potência ativa da carga kW Pinst Potência total instalada kW Q Potência reativa da carga kVAr Q’ Potência reativa da carga para um fator de potência de 0,92 kVAr Qcorreção Potência reativa da carga do banco de capacitores kVAr S Potência aparente da carga kVA Sc Seção do condutor mm² Sn Potência nominal aparente do transformador kVA Tc Tempo de eliminação de defeito s Ti Temperatura máxima em regime contínuo ºC Tf Temperatura máxima de curto-circuito na isolação ºC Vff Tensão fase-fase V Vnp Tensão nominal do sistema kV Z% Impedância percentual do transformador % α' Ângulo entre a potência aparente e a potência ativa para um fator de potência de 0,92 º ρ Resistividade do condutor .mm²/m ΔV% Queda de tensão máxima admitida % 16 SUMÁRIO 1 PROJETO BÁSICO DE UMA SUBESTAÇÃO ABRIGADA DE CLASSE 15 kV ............................................................................................................ 19 1.1 Introdução ........................................................................................................ 19 1.2 Justificativa ...................................................................................................... 19 1.3 Assuntos abordados ......................................................................................... 20 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................... 21 2.1 Evolução da subestação na parte elétrica ......................................................... 21 2.2 Evolução da subestação na parte de automação .............................................. 22 2.3 Aspectos Conceituais Básicos de um Projeto de uma Subestação Industrial Abrigada ........................................................................................................................ 22 2.4 Normas Brasileiras e Internacionais para um Projeto de uma Subestação Abrigada ........................................................................................................................ 23 2.4.1 ABNT NBR 5410 ............................................................................................ 23 2.4.2 ABNT NBR 14039 .......................................................................................... 24 2.4.3 NR 10 ............................................................................................................... 25 2.4.4 IEC 60364 ........................................................................................................ 26 2.5 Principais Softwares usados ............................................................................. 26 3 ASPECTOS CONCEITUAIS DE UMA SUBESTAÇÃO INDUSTRIAL ABRIGADA ................................................................................................................. 30 3.1 Localização da Subestação .............................................................................. 30 3.2 Estudo de Carga Alimentada pela Subestação ................................................. 31 3.2.1 Fator de Demanda ............................................................................................ 31 3.2.2 Fator de Carga .................................................................................................. 32 3.2.3 Fator de potência .............................................................................................. 32 3.3 Sistemas Integrantes no Projeto de Subestação ............................................... 33 3.3.1 Sistema de Proteção Contra Descarga Atmosférica e de Aterramento ............ 33 3.3.2 Sistema de Supervisão e Controle Predial (SSCP) .......................................... 34 3.4 Equipamentos e Acessórios de uma Subestação .............................................. 34 3.4.1 Pára-Raios ........................................................................................................ 35 3.4.2 Terminal primário ou Mufla ............................................................................ 36 3.4.3 Cabos Elétricos de Média Tensão .................................................................... 37 17 3.4.4 Bucha de Passagem .......................................................................................... 38 3.4.5 Isoladores ......................................................................................................... 39 3.4.6 Barramento primário ........................................................................................ 40 3.4.7 Transformador de Corrente .............................................................................. 40 3.4.8 Transformador de Potencial ............................................................................. 42 3.4.9 Chaves Seccionadoras ...................................................................................... 43 3.4.10 Fusíveis Limitadores de Corrente .................................................................... 45 3.4.11 Disjuntor de Potência de Média Tensão .......................................................... 47 3.4.12 Relés de Proteção ............................................................................................. 50 3.4.13 Transformador de Potência .............................................................................. 51 3.4.14 Cabos Elétricos de Baixa Tensão ..................................................................... 53 3.4.15 Barramento Blindado ....................................................................................... 54 3.4.16 Disjuntores de Baixa Tensão ........................................................................... 56 3.4.17 Quadro Geral de Baixa Tensão ........................................................................ 57 3.4.18 Banco de Capacitores ....................................................................................... 58 3.5 Arranjo Físico Típico de uma Subestação Abrigada ....................................... 60 3.5.1 Altura da Subestação ........................................................................................ 61 3.5.2 Porta de Entrada da Subestação ....................................................................... 61 3.5.3 Área de Circulação ........................................................................................... 62 3.5.4 Cubículo de Entrada ......................................................................................... 62 3.5.5 Cubículo de Medição ....................................................................................... 63 3.5.6 Cubículo de Proteção ....................................................................................... 64 3.5.7 Cubículo de Transformação ............................................................................. 66 4 PROJETO BÁSICO DE UMA SUBESTAÇÃO ABRIGADA DE MÉDIA TENSÃO ....................................................................................................................... 68 4.1 Dimensionamento dos equipamentos e acessórios .......................................... 69 4.1.1 Mufla ................................................................................................................ 70 4.1.2 Pára-Raios ........................................................................................................ 70 4.1.3 Isoladores de média tensão .............................................................................. 71 4.1.4 Dimensionamento dos condutores de média tensão ........................................ 71 4.1.5 Barramentos primários ..................................................................................... 72 4.1.6 Dimensionamento do transformador ............................................................... 72 18 4.1.7 Dimensionamento do disjuntor de potência ..................................................... 74 4.1.8 Dimensionamento dos transformadores de corrente ........................................ 75 4.1.9 Dimensionamento dos transformadores de potencial ...................................... 76 4.1.10 Dimensionamento da chave seccionadora de média tensão ............................ 77 4.1.11 Dimensionamento do disjuntor de baixa tensão .............................................. 78 4.1.12 Dimensionamento do alimentador do QGBT .................................................. 79 4.1.13 Dimensionamento do QGBT ........................................................................... 84 4.1.14 Dimensionamento do banco de capacitores ..................................................... 85 4.1.15 Diagrama Unifilar ............................................................................................ 86 4.2 Dimensionamento físico da subestação ........................................................... 88 4.2.1 Altura da subestação ........................................................................................ 88 4.2.2 Porta de entrada da subestação ........................................................................ 88 4.2.3 Área de circulação ............................................................................................ 89 4.2.4 Cubículo de transformação .............................................................................. 89 4.2.5 Cubículo de proteção ....................................................................................... 90 4.2.6 Cubículo de medição ........................................................................................ 92 4.2.7 Cubículo de entrada ......................................................................................... 94 4.2.8 Arranjo Final da Subestação ............................................................................ 95 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................ 97 19 1 PROJETO BÁSICO DE UMA SUBESTAÇÃO ABRIGADA DE CLASSE 15 kV 1.1 Introdução Um projeto elétrico se divide em duas etapas: projeto básico e projeto executivo. O projeto elétrico tem a finalidade de apresentar conjuntos de informações e documentos técnicos necessários para definir as características básicas e conceituas de um sistema elétrico para elaboração do projeto executivo. Também serve de base para elaborar uma estimativa de preço da obra. Já o projeto executivo, nada mais é que a continuação do projeto básico, mas apresentada de uma forma detalhada, em que envolve as fases de suprimento, construção e montagem do sistema elétrico. As subestações consumidoras são de grande importância para o sistema elétrico. São elas que têm a função de transferir a energia elétrica e adequar suas características para níveis de tensão e corrente ideais para sua utilização. Por isso é importante que o dimensionamento dos equipamentos que compõem um projeto de subestação seja feita de forma correta e coerente conforme as normas nacionais e internacionais, garantindo a qualidade do fornecimento de energia para os consumidores e a segurança dos equipamentos instalados e dos seres vivos, em particular os seres humanos. 1.2 Justificativa As subestações tem a finalidade de garantir a continuidade de energia elétrica, apresentando um alto grau de confiabilidade no sistema de proteção e garantindo a segurança de operação. Para elaboração de um bom projeto básico de uma subestação, apresentando uma grande confiabilidade é necessário atenção, pois um projeto inadequado ou mal dimensionado pode acarretar uma falha no fornecimento de energia elétrica, podendo ocasionar significativos prejuízos para uma indústria, por exemplo. Portanto, nota-se a importância de dimensionar e especificar de forma criteriosa os equipamentos pertencentes de uma subestação. Neste contexto, as informações necessárias para o desenvolvimento de um projeto de uma subestação encontram-se de forma dispersa na literatura, quando não, as mesmas fazem parte do know-how de quem executa o projeto. Por isso é de grande interesse um roteiro 20 básico que apresente passo a passo de uma metodologia de dimensionar e especificar os equipamentos elétricos. 1.3 Assuntos abordados No segundo capítulo tem-se o panorama geral da evolução da subestação, tanto na parte elétrica como da automação, que ocorreu devido ao avanço tecnológico no século XIX, em que acarretou em vários benefícios para projetos elétricos de subestação. Também são citadas algumas normas nacionais e internacionais que regem um projeto de uma subestação e ainda são abordados alguns softwares comerciais que auxiliam no dimensionamento de equipamentos. No terceiro capítulo são abordados aspectos conceituais sobre os equipamentos elétricos pertencentes a uma subestação, tais como sua definição, tipo, utilização e seu dimensionamento, apresentando cálculos para determinar e especificar corretamente os equipamentos de acordo com as normas nacionais e internacionais. Igualmente é apresentado como determinar um arranjo físico de uma subestação. No quarto capítulo é apresentada a aplicação dos conceitos introduzidos no terceiro capítulo, em que demonstra passo a passo o dimensionamento e a especificação dos equipamentos elétricos e a determinação do arranjo físico da subestação. No quinto capítulo é apresentada uma visão geral do que é necessário conhecer para realizar e elaborar um projeto básico de uma subestação abrigada de classe 15 kV. 21 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Com a evolução da tecnologia no decorrer dos anos, os projetos de subestações sofreram um grande impacto trazendo vários benefícios como segurança, confiabilidade, entre outros, tanto na parte elétrica como na automação. 2.1 Evolução da subestação na parte elétrica Desde o final do século XIX as construções de subestações vêm evoluindo cada vez mais com o desenvolvimento de novas tecnologias que ampliaram a disponibilidade, a capacidade da energia elétrica e reduziram a manutenção dos equipamentos elétricos. Nos meados dos anos 60 do século XX com ajuda do avanço da tecnologia foi lançado o primeiro painel isolado a gás (Gas Insulated Switchgear). Esta tecnologia teve uma grande importância, pois estes painéis blindados apresentavam uma maior confiabilidade, segurança e estabilidade além de serem menores e mais compactos, ocasionando uma redução de até 70% na área necessária para construção da subestação em relação as subestações convencionais com isolamento a ar (Air Insulated Switchgear). Esta redução de área traz grandes vantagens, como a redução de custo na aquisição do terreno implicando diretamente na redução do impacto ambiental (ABB, 2013a). A inovação dos disjuntores trouxe um grande impacto e avanço tecnológico na subestação. Antigamente os disjuntores instalados eram volumosos e complicados, requerendo um maior controle de supervisão e necessitando de frequentes manutenções. Com a evolução dos disjuntores SF6 obteve-se uma grande confiabilidade no sistema de proteção, juntamente com a redução de manutenções. Outra evolução importante foi sobre os transformadores de medições de correntes e tensões para os equipamentos secundários, que ocupavam grandes espaços. Atualmente com o avanço da tecnologia da fibra ótica, estes transformadores podem ser substituídos por sensores óticos fornecendo informações sobre tensões e correntes primárias (O SETOR ELÉTRICO, 2013a). Com o avanço tecnológico em meados do século XX, surgiu à primeira geração dos relés que eram chamados de relés eletromecânicos. Com a crescente evolução da eletrônica e a utilização de microprocessadores, a partir da década de 1980 surgiram os relés digitais, sofrendo uma grande evolução tanto na parte construtiva quanto ao seu funcionamento, 22 trazendo vários benefícios comparados às gerações anteriores, permitindo uma maior confiabilidade e coordenação do sistema de proteção, um aumento na velocidade de resposta e uma maior precisão devido a maior sensibilidade do equipamento. De acordo com uma importante empresa do setor elétrico: Os relés digitais de hoje produzidos oferecem grande vantagens se comparado aos relés eletromecânicos, possibilitam coordenação do sistema de proteção e melhor sensibilidade devido os ajustes melhores e mais precisos que essa tecnologia proporciona (O SETOR ELÉTRICO, 2013b). 2.2 Evolução da subestação na parte de automação O sistema de automação é de grande importância para um projeto de subestação, pois é com a automação que se pode obter, controlar e monitorar os dados das grandezas elétricas existente nos processos envolvendo energia, tais como correntes, tensões, frequências, entre outras grandezas. Com o avanço da eletrônica foram desenvolvidos vários dispositivos, em que cada fabricante tinha sua própria filosofia de criar sua própria forma de comunicação entre os equipamentos, ou seja, seu próprio protocolo. Com isto a comunicação dos dispositivos ficava cada vez mais complicada. Para solucionar e padronizar a comunicação entre os equipamentos, independentemente dos fabricantes, em 2004 foi publicada a norma IEC 61850 Communication Networks and Systems in Substations que propõe uma arquitetura de comunicação única entre todos os equipamentos, independente da função que o dispositivo exerce na subestação ou de seu fabricante (O SETOR ELÉTRICO, 2013c). 2.3 Aspectos Conceituais Básicos de um Projeto de uma Subestação Industrial Abrigada Mamede Filho (2011) faz uma breve introdução sobre classificação e tipos de subestação limitada à tensão de 15 kV, citando as normas exigidas para um projeto. Em seguida apresenta os equipamentos instalados em todos os postos ou cubículos e a partir das especificações dos componentes instalados e de acordo com a NBR 14039 se pode ter um dimensionamento físico mínimo de cada cubículo. Creder (2007) introduz noções básicas de como calcular a provável demanda para consumidores industriais e não indústrias para o dimensionamento do transformador. 23 Também são citados os dados mínimos indispensáveis para o projeto de uma subestação. Em seguida são apresentadas as informações necessárias para especificação de um equipamento elétrico. Mamede Filho (2005) apresenta informações relevantes sobre os equipamentos mais utilizados em subestações de média e alta tensão. Primeiramente faz uma breve descrição de cada equipamento, citando suas aplicações e em seguida apresenta suas caracteristicas técnicas necessárias para dimensionar e especificar os parâmetros elétricos de todos os equipamentos. Shoaib Khan (2007) introduz considerações relevantes em relação à localização da subestação, levando em conta como exemplo, impactos ambientais, condições do solo, centro de cargas entre outros. Também cita sobre proteções e normas norte americanas e internacionais exigidas em um projeto de subestação. Lima Filho (2004) apresenta alguns exemplos para construção de diagramas, tais como, diagrama unifilar e diagrama trifilar que é de grande importância para compreensão do projeto em que indica, por exemplo, as potências das cargas instaladas, valores nominais dos disjuntores, valores das correntes de curto-circuito do barramento, seção dos cabos alimentadores, entre outras informações fundamentais para o entendimento do projeto. 2.4 Normas Brasileiras e Internacionais para um Projeto de uma Subestação Abrigada As principais normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) que abrange um projeto de subestação são as Normas Brasileiras – NBR 5410 (ABNT, 2004) e NBR 14039 (ABNT, 2005) juntamente com a Norma Regulamentadora NR 10 instituída pelo Ministério do Trabalho e Emprego (MTE, 2004). A norma internacional IEC 60364 (IEC, 2006) também é utilizada para um projeto de instalações elétricas. 2.4.1 ABNT NBR 5410 A NBR 5410 exige as condições mínimas que as instalações elétricas de baixa tensão devem satisfazer garantindo o funcionamento adequado da instalação e a segurança de pessoas e animais. A norma aplica-se principalmente às instalações elétricas de edificações, independentemente do seu uso, residencial, comercial, público, de serviços e industriais (CPNSP, 2013). 24 Esta norma possui a última revisão em 30/09/2004, elaborada no Comitê Brasileiro de Eletricidade (ABNT/CB-03), pela Comissão de Estudo de Instalações Elétricas de Baixa Tensão (CE-03:64.01), com título de ABNT NBR 5410 – Instalações Elétricas de Baixa Tensão (ABNT, 2004). A NBR 5410 foi baseada na norma internacional IEC 60364 – Electrical Installations of Buildings. A sua primeira edição surgiu em 1941 e posteriormente veio suas revisões em 1960, 1980, 1990, 1997 e a de 2004 que está em vigor (corrigida em 2008) (ABNT, 2013). A norma estabelece que para um projeto de instalação elétrica de baixa tensão, a documentação necessária do projeto deve ser constituída no mínimo de plantas, diagramas elétricos, detalhes de montagem, memorial descritivo do sistema juntamente com a especificação dos equipamentos instalados (ABNT, 2004). Para o projeto de instalações elétricas, o projeto deve considerar o dimensionamento dos circuitos de distribuição e terminais, proteção contra choques elétricos, proteção contra efeitos térmicos, escolha, regulagem e localização dos dispositivos de proteção e dos dispositivos de seccionamento e comando (ABNT, 2004). 2.4.2 ABNT NBR 14039 A NBR 14039 (ABNT, 2005), determina os mínimos requisitos de qualidade e segurança para o projeto e execução de instalações de média tensão, com tensão nominal de 1,0 kV a 36,2 kV. Esta norma possui a última revisão em 31/05/2005, elaborada no Comitê Brasileiro de Eletricidade (ABNT/CB-03), pela Comisão de Estudo de Instalações Elétricas de Alta e Média Tensão (CE-03:064.11), com título de ABNT NBR 14039 – Instalações Elétricas de Média Tensão 1 kV a 36,2 kV (ABNT, 2005.) A história da NBR 14039 se deu a partir da antiga norma NB 79 – Execução de Instalações Elétricas de Alta Tensão de 0,6 a 15 kV, publicada em 1967. Com o avanço tecnológico dos equipamentos e sem nenhuma revisão que permitissem adequar o aparecimento destes equipamentos e a inclusão da atividade de projeto em seu escopo, a NB 79, deixando de ser utilizada e cancelada em 1996. Com a necessidade de se ter uma norma que substituísse a NB 79 em 1998 foi publicada sob o número NBR 14039 intitulada Instalações Elétricas de Alta Tensão 1 kV a 36,2 kV (TARGET, 2013). Posteriomente a publicação de 2003 substituiu a de 1998 e consequentemente a publicação que está em vigor é de 2005 que substituiu a publicação de 2003 (ABNT, 2013). 25 Especificamente no item 9.2 - Subestação Abrigada, do capítulo 9 da norma NBR 14039 (ABNT, 2005), tem-se os cuidados e os procedimentos para um projeto elétrico de subestação do tipo abrigada que se deve seguir. Nos itens 9.4 e 9.5 da norma, menciona a classificação por função, sendo subestações de distribuição, subestações de transmissão e subestação de chaveamento. 2.4.3 NR 10 No ano de 1983, foi publicada a 1º edição da NR 10 do Ministério do Trabalho e Emprego, com intuito de passar uma imagem de um país desenvolvido não somente na parte econômica e tecnológica, mas também visando o capital humano. Devido aos índices de acidentes no setor elétrico, como geração e distribuição de energia juntamente com a construção cívil, em 07/12/2004 foi publicada no Diário Oficial o novo texto da Norma Regulamentadora Nº 10, que está em vigor atualmente (DIAGNERG, 2013). A NR 10 tem como objetivo estabelecer condições e requisitos mínimos que objetivam a implantação de medidas de controle e sistema preventivos, a fim de garantir a segurança e a saúde dos trabalhadores que, direta ou indiretamente, tenham contato com instalações elétricas e serviço com eletricidade (MTE, 2004). Na Fígura 2.1 apresenta um gráfico, em que um ano antes da publicação do novo texto da NR 10 indica um grande número de acidentados com arco elétrico, totalizando 47 acidentes por ano e no ano posterior 2004 houve um declínio de acidentes com arco elétrico (FUNDAÇÃO COGE, 2013). Figura 2.1 Relatório estatístico de acidentes do setor elétrico brasileiro. 26 2.4.4 IEC 60364 Na IEC 60364 Low-Voltage Electrical Installations – Part 6: Verification estabelece requisitos mínimos para a verificação inicial e periódica de uma instalação elétrica. Na cláusula 61 estabelece os requisitos para verificação da instalação, através de inspeção e testes. Na cláusula 62 prevê os requisitos para a verificação periódica de uma instalação elétrica, verificando se todos os equipamentos constituintes estão em condições satisfatórias (IEC, 2006). 2.5 Principais Softwares usados O “Ecodial Advance Calculation” da Schneider Electric (Figura 2.2), software gratuito, foi criado para ajudar nos cálculos e dimensionamento das instalações de distribuição elétrica em baixa tensão em conformidade com as normas e padrões em vigor, com base na norma internacional de instalações elétricas IEC60364 (Low-Voltage Electrical Installations) e a norma brasileira NBR5410 (Instalações Elétricas de Baixa Tensão). Esta ferramenta auxilia no dimensionamento: das seções dos cabos alimentadores levando em consideração a queda de tensão e os limites térmicos; o valor do banco de capacitor caso for necessário. Também é possível calcular as correntes de curto-circuito como fazer o estudo de seletividade do sistema em estudo (SCHNEIDER ELECTRIC, 2013). 27 Figura 2.2 Área de Trabalho do Ecodial Advance Calculation. O DocWin (Figura 2.3), fabricado pela ABB, é um software gratuito que segue a mesma filosofia do Ecodial, ou seja, foi criado para auxiliar nos projetos elétricos, como no dimensionamento de transformadores, cabos, disjuntores e entre outros equipamentos de forma fácil e rápida de acordo com as normas internacionais e nacionais em vigor (ABB, 2013b). 28 Figura 2.3 Área de Trabalho do DocWin. Outra ferramenta gratuita e de grande importância para o auxílio no dimensionamento de equipamentos elétricos em um projeto é o Simaris (Figura 2.4), do fabricante Siemens, que também segue a mesma filosofia dos outros softwares já citados, tais como Ecodial e DocWin (SIEMENS, 2013). Figura 2.4 Área de Trabalho do Simaris. Outra ferramenta gratuita que auxilia em projetos de instalação elétrica é o “ID-Spec Large” da Schneider Electric, baseado nas normas internacionais de instalações elétricas e nas 29 normas brasileira de baixa e média tensão. O software tem o objetivo de criar um balanço de potências mostrando em sua área de trabalho a planta do recinto em estudo com todas as cargas instaladas indicando o centro de carga total do projeto que é de grande importância para um melhor dimensionamento de uma subestação. Outra ferramenta de destaque é o dimensionamento e especificação dos equipamentos (SCHNEIDER ELECTRIC, 2013). A Figura 2.5 apresenta um exemplo da área do trabalho do software, em indica o centro das cargas total situado dentro de uma área. Figura 2.5 Área de Trabalho do Id-Spec Large. 30 3 ASPECTOS CONCEITUAIS DE UMA SUBESTAÇÃO INDUSTRIAL ABRIGADA Por definição, subestação (SE) é uma parte de um sistema elétrico de potência, concentrada em um determinado local, constituída de um conjunto de condutores e equipamentos com a função de alterar as características da energia elétrica como a tensão e a corrente, possibilitando a sua distribuição às unidades consumidoras. As subestações (SE´s) têm obrigação de garantir a máxima segurança de serviço e operação a toda parte integrante do sistema elétrico. Antes de iniciar um projeto de subestação é necessário determinar um conjunto de informações que vão incidir sobre o sistema ao qual a subestação estará ligada, tais como os níveis de potência ativa e reativa, a regulação da tensão, o nível do curto-circuito do sistema, índices de incidência de raios, entre outros. 3.1 Localização da Subestação Um dos fatores importantes no projeto de uma subestação é sua localização. Atenção especial deve ser dada ao local. Os principais fatores que devem ser considerados a fim de se determinar a localização para construção da subestação são os seguintes:  Espaço necessário para o uso presente e futuras expansões;  Impactos ambientais causados pela construção;  Estudo do solo, verificando as condições do solo para um aterramento adequado da área;  Considerações gerais topográficas;  Localização do centro de carga das cargas instaladas, acarretando na dimensão dos cabos alimentadores;  Disponibilidade de acesso para a entrada da linha do ponto de entrega da concessionária para a propriedade onde será construída a subestação;  Custo total, considerando a locação do terreno, o fornecimento de energia elétrica para cargas, juntamente com a infraestrutura. 31 3.2 Estudo de Carga Alimentada pela Subestação Para iniciar o projeto de uma subestação é necessário obter informações sobre as cargas instaladas no sistema. O estudo das cargas é essencial para um planejamento do projeto, pois conhecendo o comportamento das cargas em relação ao tempo é possível determinar o dimensionamento dos condutores, transformadores e os equipamentos pertencentes à subestação. Para determinação da demanda deve ser feito um estudo prévio sobre as cargas instaladas, do fator de potência, do regime de funcionamento e do ramo de atividade, sendo de transformação ou de prestação de serviço. Em geral, as concessionárias de energia elétrica apresentam em suas normas o estudo de demanda média para cada tipo de instalação. Porém, quando não se tem essas informações da concessionária, o cálculo da demanda é de inteira responsabilidade do projetista. 3.2.1 Fator de Demanda O cálculo do fator de demanda é obtido a partir da razão entre a demanda máxima do sistema e a soma total das cargas instaladas, durante um intervalo de tempo considerado. O cálculo do fator da demanda é calculado através da equação (3.1). (3.1) Sendo: Fd = Fator de demanda; Dmáx = Demanda máxima da instalação (kW); Pinst = Potência total instalada (kW). O fator de demanda possibilita mostrar como a carga está se comportando durante certo intervalo de tempo, ou seja, esse fator possibilita projetar de uma forma mais econômica os equipamentos pertencentes a uma subestação. Em algumas normas de concessionárias ou bibliografias de referência, é estimado o valor do fator de demanda para cada ramo de atividade, e com este valor juntamente com a potência total instalada é possível estimar a demanda máxima da instalação para o dimensionamento dos equipamentos pertencentes à subestação. 32 3.2.2 Fator de Carga É a relação entre a demanda média obtida pelo consumo de energia e a demanda máxima durante um determinado intervalo de tempo considerado. O fator de carga é obtido com a equação (3.2). (3.2) Sendo: Fc = Fator de demanda; Dméd = Demanda média da instalação do período (kW ou kVA); Dmáx = Demanda máxima da instalação do mesmo período (kW ou kVA). O fator de carga possibilita mostrar como a energia elétrica está sendo utilizada, ou seja, indica como a demanda máxima se comportou num certo intervalo de tempo. Quanto maior for o valor deste fator, maior será o aproveitamento da energia. 3.2.3 Fator de potência Por definição, o fator de potência é a relação entre a potência ativa e a potência aparente, conforme a equação (3.3). Este fator indica a eficiência energética do sistema, ou seja, quanto menor for o valor do fator de potência, menor será o aproveitamento da energia fornecida pela concessionária. (3.3) Sendo: Fp = Fator de potência; P = Potência ativa da carga (kW); S = Potência aparente da carga (kVA). Conforme a Resolução Normativa nº 414/10 da Agência Reguladora de Energia Elétrica (ANEEL), estabelece que o fator de potência nas unidades consumidoras até o nível de tensão de 230 kV deve estar compreendido entre 0,92 e 1,00 indutivo ou capacitivo, e o descumprimento desta resolução está sujeito a multa (ANEEL, 2010). 33 3.3 Sistemas Integrantes no Projeto de Subestação 3.3.1 Sistema de Proteção Contra Descarga Atmosférica e de Aterramento O Sistema de Proteção Contra Descarga Atmosférica e de Aterramento são componentes de vital importância em um projeto elétrico, principalmente nas edificações onde se concentram muitos equipamentos eletrônicos e pessoas. a) Sistema de Proteção Contra Descarga Atmosférica O Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas (SPDA) tem o objetivo de garantir a preservação e a continuidade de funcionamento dos equipamentos e a proteção de vidas humanas. De acordo com o Anexo B – Método de seleção do nível de proteção da NBR 5419 – Proteção de estruturas contra descarga atmosférica verifica-se primeiramente qual o nível de proteção aplicável, em seguida avalia-se o risco de exposição, ou seja, o risco da estrutura ser atingida pelo raio, levando em consideração os aspectos inerentes à mesma e referentes ao local geográfico onde está localizada a edificação (ABNT, 2005). Com base nesta avaliação, será determinada a necessidade ou não de um sistema de SPDA. No caso da necessidade, será calculada a quantidade de captores e a sua distribuição ao redor da edificação, de acordo com o método ou modelo definido pelo projetista. Por último, são determinadas as quantidades e posicionamento das descidas para interligação à malha de terra. b) Sistema de Aterramento Para que um sistema de aterramento seja eficaz é preciso saber a localização onde será construída a subestação e fazer uma medição da resistividade do solo. Basicamente, o sistema de aterramento tem três funções principais:  Garantir uma baixa resistência de aterramento, com finalidade de limitar as sobretensões no sistema assegurando o funcionamento adequado do sistema de proteção e reduzir os potenciais de passos e toque na instalação;  Garantir a segurança das pessoas em relação a quaisquer tensões que possam trazer perigos à vida, sendo de passo ou toque que possam aparecer nas instalações; 34  Garantir um caminho de escoamento para o fluxo de corrente devido às descargas atmosféricas para a terra, através da utilização de captores e cabos conectados no sistema de aterramento. 3.3.2 Sistema de Supervisão e Controle Predial (SSCP) O sistema de automação ou supervisão de controle predial (SSCP) tem o objetivo de supervisionar, controlar e comandar os equipamentos e cargas elétricas instalados na subestação, apresentando as seguintes funções:  Supervisão geral do sistema elétrico;  Supervisão remota de disjuntores dos painéis do sistema elétrico da subestação;  Supervisão remota dos demais equipamentos do sistema elétrico, tais como: chaves seccionadoras, no-breaks, transformadores.  Registro de eventos;  Comando remoto de disjuntores de alimentadores e motores;  Comando e supervisão remota dos equipamentos do sistema elétrico. 3.4 Equipamentos e Acessórios de uma Subestação São divididos em dois grupos os equipamentos e acessórios pertencentes em uma subestação: equipamentos de baixa tensão e equipamentos de alta/média tensão. Os equipamentos de média tensão são os transformadores e disjuntores de potência, chave seccionadora, fusíveis quando aplicável, pará-raios, buchas, muflas, isoladores e condutores de média tensão, que para serem dimensionados é necessário conhecer a características da rede primária de distribuição, tais como, corrente de curto-circuito, potência simétrica de curto-circuito, tensão nominal primária, nível básico de impulso e a frequência. Os equipamentos de baixa tensão são os quadros gerais de baixa tensão (QGBT), banco de capacitores, disjuntores e condutores de baixa tensão, que para serem dimensionados é preciso determinar a potência total do sistema, no caso, a determinação da potência do transformador. 35 3.4.1 Pára-Raios Os pára-raios são equipamentos monofásicos que tem a função de proteger os equipamentos elétricos no caso de ocorrência de surtos de tensão, devido à descarga atmosférica ou por manobras na rede, provocados pela operação de chaves seccionadoras e disjuntores. O funcionamento dos pára-raios é bem simples, a partir de um dado valor de sobretensão no sistema elétrico, este dispositivo passa a se comportar como um condutor, descarregando parte da corrente para a terra e conseqüentemente minimizando os prováveis danos na instalação. De forma geral, em uma subestação abrigada com entrada aérea, normalmente os pára- raios são instalados na parte externa da edificação, logo na entrada da linha, junto às buchas de passagem de média tensão. Em caso de entrada subterrânea, em geral são instalados os pára-raios junto às muflas de entrada da subestação. Existem dois tipos de características construtivas de pára-raios atualmente que garantem o funcionamento e a proteção do sistema elétrico, sendo eles constituídos de elementos não resistivos de carbonato de silício (SiC) e óxido de zinco (ZnO). Na tabela 3.1 são apresentando algumas características principais desse equipamento. Tabela 3.1 - Valores das características elétricas dos pára-raios (MAMEDE, 2005). 5.000 A Distribuição 10.000 A Estação 3 4,4 21 18,0 13,0 8,25 6 9,0 40 31,0 22,6 15,50 9 13,5 58 46,0 32,5 23,50 12 18,0 70 54,0 43,0 31,00 15 22,5 80 64,0 54,0 39,00 27 40,5 126 99,0 97,0 70,00 39 58,5 - 141,0 141,0 101,00 Tensão nominal (kV eficaz) Tensão disruptiva à frequência industrial (kV eficaz) Máxima tensão disruptiva de impulso sob onda normalizada (kV de crista) Máxima tensão disruptiva sob onda normalizada (kV crista) Máxima tensão disruptiva por manobra (kV crista) Para o dimensionamento e especificação de um conjunto de pára-raios são necessárias conhecer as seguintes informações como: tensão nominal, corrente de descarga, tipo construtivo, frequência nominal, tensão máxima disruptiva sob impulso atmosférico e de manobra, máxima tensão residual de descarga e o método de instalação (MAMEDE, 2005). 36 a) Pára-Raios de Carboneto de Silício Estes pára-raios são formados de elementos resistivos não-lineares constituídos de carboneto de silício (SiO) em série com centelhadores (gaps). O carboneto de silício (SiO) tem a função de conduzir a corrente elétrica proveniente da descarga atmosférica em baixas tensões residuais. b) Pára-Raios de Óxido de Zinco Por definição estes pára-raios apresentam como material dos elementos resistivos não- lineares o óxido de zinco (ZiO). Atualmente, esse tipo de pára-raios são os mais usados, por apresentarem uma excelente característica de não linearidade devido ao ZiO, não havendo a necessidade de gaps em série neste tipo de pára-raios, como ilustrado na Figura 3.1. Figura 3.1 - Pára-Raio do tipo óxido de zinco. 3.4.2 Terminal primário ou Mufla É uma terminação utilizada nos cabos de média que tem a função de garantir a deflexão do campo elétrico, limitando os valores dos gradientes de tensão e conseqüentemente reduzindo o risco de ruptura do dielétrico que possam causar danos na isolação dos cabos. Estes terminais primários são utilizados nos cabos elétricos subterrâneos na entrada e/ou na saída das subestações, ou seja, sempre que ocorrer uma transição do tipo de isolamento é aplicada a utilização da mufla, como ilustrado na Figura 3.2. 37 Figura 3.2 - Mufla. Atualmente são encontrados muflas do tipo com corpo de porcelana e as terminações termocontráteis com contrações a quente ou a frio. Para o dimensionamento e especificação do terminal primário devem ser levadas em consideração as seguintes informações: a seção transversal e o tipo dos cabos a serem utilizados, a tensão nominal, nível básico de impulso e o método de instalação, podendo ser de uso interno ou externo (MAMEDE, 2005). 3.4.3 Cabos Elétricos de Média Tensão De acordo com a NBR 14039 – Instalações elétricas de média tensão de 1,0 kV a 36,2 kV e a NBR 6251 - Cabos de potência com isolação extrudada para tensões de 1 kV a 35 kV os cabos isolados da classe de tensão 15 kV são divido em 6 partes de acordo conforme a Figura 3.3. Figura 3.3 - Componentes de um cabo unipolar de média tensão. De acordo com a Figura 3.3:  O item 1 mostra o condutor elétrico que pode ser de fabricação de alumínio ou cobre, que tem a função de transportar potência para uma determinada carga;  Os itens 2 e 4 indicam uma fita não metálica semicondutora que tem a função de confinar o campo elétrico, ou seja, manter a uniformização do campo elétrico;  O item 3 é a isolação, que tem a finalidade de isolar o condutor, podendo ser de cloreto de polivinila (PVC), polietileno reticulado (XLPE) ou borracha etileno- propileno (EPR); 38  O item 5 indica a blindagem metálica que tem o objetivo de garantir um caminho para as correntes de falta para a terra;  O item 6 mostra a cobertura que tem a função de oferecer uma proteção externa para o condutor. Conforme o item 6.2.5.1 da NBR 14039 a instalação de cabos de média tensão pode ser feita de várias maneiras, sendo fundamental para o dimensionamento da seção do cabo. Devem também ser considerados os seguintes itens para um dimensionamento correto do cabo elétrico:  Fator de correção por temperatura ambiente;  Fator de correção por agrupamento;  Fator de correção devido ao método escolhido para instalação. Porém em algumas normas de concessionárias tem-se estabelecidos as seções dos cabos alimentadores a partir da demanda máxima da instalação Para a especificação de um cabo de média tensão, são necessárias as seguintes informações: seção transversal do condutor, tipo do condutor, tipo e tensão nominal da isolação e o nível básico de impulso (MAMEDE, 2005). 3.4.4 Bucha de Passagem São componentes elétricos constituídos de material isolante que tem a função de interligar equipamentos elétricos e cabos de um determinado ambiente para outro, tais como cubículos de SF6 ou de alvenaria, como ilustrado na Figura 3.4. Figura 3.4 - Bucha de passagem do tipo interior/exterior classe 15 kV. De acordo com a NBR 5034 – Buchas para tensões alternadas superiores a 1 kV, para a especificação de uma bucha de passagem, são necessárias as seguintes informações: tensão 39 nominal, tensão suportável a seco e sob chuva, nível básico de impulso e o método de instalação (ABNT, 1989). Quanto ao método de instalação das buchas de passagens num projeto de uma subestação abrigada, podemos ter: a) Bucha de passagem para uso interior São buchas em que os terminais são instalados em ambientes abrigados, ou seja, não sujeito às intempéries. Tem o objetivo de permitir a passagem de um circuito em cubículos vizinhos de uma subestação. b) Bucha de passagem para uso interior-exterior São buchas em que um dos terminais está fixado ao tempo no exterior da subestação e o outro está instalado dentro da subestação. Este tipo de bucha tem a finalidade de interligar um circuito proveniente de um ramal de ligação aéreo para o cubículo de entrada de uma subestação. 3.4.5 Isoladores São componentes elétricos constituídos de material isolante que tem a função de suportar e interligar os condutores elétricos de um cubículo para o outro, conforme ilustrado na Figura 3.5. Figura 3.5 - Isolador do tipo pedestal 15 kV. Para a especificação de um isolador, são necessárias as seguintes informações: tensão nominal, tipo construtivo, nível básico de impulso, material isolante e o método de instalação. 40 3.4.6 Barramento primário Os barramentos primários são equipamentos que fazem conexão entre os cubículos pertencentes da subestação, com a função de transportar potência. Para o dimensionamento das seções dos barramentos é considerado a capacidade de transformação da subestação, conforme ilustrado na Tabela 3.2, porém sempre se deve verificar se há alguma exigência sobre o cálculo das seções do barramento nas normas da concessionária local. Tabela 3.2 - Dimensão de barramento (MAMEDE, 2011). Seçao Diâmetro kVA Polegadas mm mm² mm Até 70 1/2 x 1/8 12,70 x 3,175 25 5,6 De 71 a 2500 3/4 x 3/16 19,05 x 4,760 35 6,6 Potência dos Transformadores Barramento retangular de cobre Vergalhão de cobre Conforme a NBR-14039, sobre o espaçamento dos barramentos entre fase/fase e fase/terra é de obrigação respeitar as distâncias mínimas exigíveis, sendo considerado o afastamento entre as extremidades mais próximas, como apresentado na Tabela 3.3 (ABNT, 2005). Tabela 3.3 - Distância mínima entre os barramentos (ABNT, 2005). Tensão nominal da instalação (kV) Tensão de ensaio à freqüência industrial (valor eficaz kV) Tensão suportável nominal de impulso atmosférico (valor de pico kV) Distância mínima fase/fase e fase/terra (mm) 20 60 40 60 4,16 19 60 90 40 60 60 90 95 160 110 180 125 220 3 10 206 3413,8 3.4.7 Transformador de Corrente Por definição, os transformadores de corrente, mais conhecidos como TCs, são equipamentos que tem a finalidade de medição e proteção do sistema elétrico. Os TCs são constituídos de um enrolamento primário ligado em série a um circuito, geralmente de poucas 41 espiras de cobre e de um enrolamento secundário, na qual a corrente nominal é transformada normalmente em 5A. Conforme a Figura 3.6, os transformadores de corrente, podem ser de vários tipos e modelos, sendo que a escolha do tipo do TC tem seu uso específico para cada caso, tais como: barra, primário enrolado, janela, bucha, núcleo dividido, entre outros. Figura 3.6 - Tipos de transformadores de correntes. De acordo com a NBR 6856 – Transformador de Corrente, a designação de um transformador de corrente é feita indicando a classe de exatidão do TC utilizado e sua carga nominal separada por um hífen (ABNT, 1993). Exemplo: 0,3-C12,5. Para o dimensionamento e especificação de um TC, conforme a NBR 6856, é preciso conhecer os valores de corrente nominal do lado primário e secundário, nível básico de impulso, classe de tensão, classe de exatidão, tipo construtivo e o fator de sobrecorrente (ABNT, 1993). a) Transformadores de Corrente para Serviço de Medição São equipamentos utilizados na medição de corrente ou energia, que tem a função de transformar as correntes de carga primária, numa corrente secundária de menor valor, geralmente 5A. Também tem o objetivo de isolar e proteger os instrumentos medidores sem que haja um contato direto destes instrumentos com o circuito primário. 42 Segundo a NBR 6856 – Transformadores de Corrente, os TCs designados para serviço de medição, devem ser escolhidos de forma que a corrente de serviço esteja entre 10% e 100% (ABNT, 1993). Outras características muito importantes sobre os TCs de medição são os fatos de estes possuírem uma maior precisão, ou seja, esses transformadores disponibilizam fielmente a corrente a ser medida e também apresentam um núcleo magnético dimensionado de forma que ocorra a saturação com a finalidade de limitar os valores da corrente secundária, normalmente entre 4 a 10 vezes a corrente nominal, para que não danifiquem os instrumentos de medição, caso ocorra um curto-circuito no circuito primário. b) Transformadores de Corrente para Serviço de Proteção São equipamentos que tem função de transformar elevadas correntes no circuito primário, proveniente de sobrecarga ou curto-circuito, em pequenas correntes no secundário conectado aos relés, sendo estes responsáveis pela proteção do circuito. Diferentemente dos transformadores de corrente designado para medição, os TCs de proteção possuem uma menor precisão e não devem saturar para correntes elevadas. De acordo com a NBR 6856, os TCs não devem saturar com uma corrente de até 20 vezes a corrente nominal primária, caso contrário, os sinais recebidos pelos relés estariam disfarçados, podendo ocorrer uma operação indevida no sistema elétrico (ABNT, 1993). 3.4.8 Transformador de Potencial Os transformadores de potencial (TPs) são equipamentos que tem a função de isolar o circuito de baixa tensão (secundário) do circuito de alta tensão (primário) e reduzir a tensão do circuito primário para uma tensão secundária compatível com os instrumentos de medição e proteção, padronizada em 115 V ou 115√ 3, como ilustrado na Figura 3.7. Figura 3.7 - Transformador de potencial, classe 15 kV. 43 Os TPs são usados para alimentarem instrumentos de medidas, como voltímetros, bobinas de potencial de energia e equipamentos de proteção como relés. De acordo com a NBR 10020 - Transformadores de potencial de tensão máxima de 15 kV, 24,2 kV e 36,2 kV, são classificados em 3 grupos (ABNT, 2010):  Grupo 1: TPs projetados para ligação entre fases, sendo muito usados em medição industrial;  Grupos 2: TPs projetados para ligação entre fase e neutro de sistemas diretamente aterrados;  Grupo 3: TPs projetados para ligação entre fase e neutro de sistemas onde não se garanta a eficácia de aterramento. Sobre a exatidão dos transformadores de potencial se tem as seguintes classes: 0,3 – 0,6 - 1,2, sendo cada usada de acordo com sua finalidade:  Classe de exatidão 0,3: são utilizados em medições de energia elétrica com fins de faturamentos;  Classe exatidão 0,6: são aplicados na alimentação de instrumentos de medições de energia elétrica sem o objetivo de faturamento e em equipamentos de proteção;  Classe exatidão 1,2: são destinados na medição indicativa de tensão. De acordo com a NBR 6855 – Transformadores de Potencial Indutivos, a designação de um transformador de potencial é feita indicando a classe de exatidão do TP utilizado e sua carga nominal separada por um hífen (ABNT, 2008). Para o dimensionamento e especificação de um TP, conforme a NBR 6855, é preciso conhecer os valores de tensão nominal primária e secundária, nível básico de impulso, classe de exatidão e a carga nominal (ABNT, 2008). 3.4.9 Chaves Seccionadoras Os seccionadores por definição são dispositivos mecânicos que tem a capacidade de interromper ou estabelecer dois circuitos de um sistema elétrico, abrindo ou fechando seus contatos, através dos seus terminais e garantir a continuidade elétrica sob condições normais e anormais por um determinado tempo, tais como corrente de sobrecarga ou de curto-circuto, sem se danificar. As chaves seccionadoras são muito utilizadas em subestações, geralmente instaladas a montante do disjuntor, que tem as finalidades de permitir manobras de circuitos elétricos com 44 carga ou sem cargas, de forma manual ou motorizada e de isolar os demais equipamentos instalados na subestação para uma eventual manutenção, tais como transformadores, disjuntores, entre outros. Podem ser constituídos de um pólo (unipolar) ou de três pólos (tripolares), sendo que o mecanismo de abertura dos seccionadores tripolares deve ser de abertura simultânea dos três pólos. Quanto à aplicação no circuito, as chaves seccionadoras podem ser classificadas como:  Chave Seccionadora Simples: é designada a abrir e fechar circuitos sem carga, ou seja, somente à vazio, muito utilizada em subestação em alvenaria de classe 15 kV, como ilustrado na Figura 3.8;  Chave Seccionadora sob Carga: é designada a abrir e fechar seus contatos em carga, pois apresenta em sua construção câmaras de extinção de arco que tem a capacidade de interromper circuitos com correntes em geral não superiores a sua corrente nominal;  Chaves de Aterramento: é designada a aterrar um equipamento ou circuito, proporcionando uma maior segurança na manutenção de algum componente. Figura 3.8 - Chave seccionadora simples tripolar. Existem vários tipos de abertura das seccionadoras, como lateral simples, lateral dupla, vertical, entre outros. Porém para a escolha do tipo de abertura, deve-se considerar a distância onde será instalada a seccionadora, o nível de tensão e a função que exerce. Para escolha adequada de uma chave seccionadora, além de considerar a corrente nominal da carga que passa por ela, devem-se levar em conta todos os efeitos térmicos e dinâmicos da corrente suportável de curta duração, valor eficaz e do valor de crista da corrente suportável pelo dispositivo, como mostrado na Tabela 3.4. 45 Tabela 3.4 - Valores das características elétricas da chave seccionadora tripolar classe 15 kV (MAMEDE, 2005). á terra entre pólos entre contatos abertos á terra entre pólos entre contatos abertos 1 Segundo (kA-Eficaz) Instantânea (kV-crista) 200 400 600 16 40 Corrente nominal (A) Tensão máxima de operação (kV) Tensão suportável nominal máxima (kV) Corrente Suportável de Curta Duração (Mínima) 12,5 31,25 freqüência industrial impulso atmosférico 15 34 38 95 110 De acordo com a NBR IEC 62271-102 – Seccionadora e Chaves de aterramento, para o dimensionamento e especificação de uma chave seccionadora, é preciso conhecer os valores de tensão e corrente nominal, frequência nominal, tipo de operação, valores suportáveis de correntes de curta duração tanto para efeito térmico como dinâmico, nível básico de impulso e o tipo de acionamento (ABNT, 2001). 3.4.10 Fusíveis Limitadores de Corrente São equipamentos de interrupção extremamente eficientes na proteção de circuitos de média tensão, devido às suas características de tempo e corrente ilustradas, que podem ser determinadas pela curva típica do fusível utilizado, como ilustrado na Figura 3.9. As principais características desse dispositivo são de apresentar uma rápida resposta de atuação na presença de corrente de curto-circuito e uma alta capacidade de ruptura, sendo usados em sistemas que apresenta altos valores na corrente de curto-circuito. 46 Figura 3.9 - Curva típica de fusível, catálogo WEG. Porém, para baixas correntes, com característica de sobrecarga, os fusíveis limitadores não apresentam resultados satisfatórios, podendo não resultar numa proteção devidamente correta. Os fusíveis limitadores de corrente são muito usados como proteção de transformadores de força e até na substituição do disjuntor geral de uma subestação de pequeno porte, em torno de 300 kVA. Em geral, os fusíveis limitadores são acoplados com um seccionador interruptor ilustrado na Figura 3.10. Também são utilizados nas proteções de motores de média tensão, banco de capacitores e transformadores de potencial. Figura 3.10 - Chave seccionadora acoplado com fusível tripolar. 47 Para o dimensionamento dos fusíveis limitadores na proteção primária de um transformador de força, normalmente adota-se 150% da corrente nominal do transformador, conforme as equações (3.4) e (3.5). (3.4) Sendo: Inp = Corrente nominal no primário (A); S = Potência nominal aparente do transformador (kVA); Vnp = Tensão nominal do sistema (kV). (3.5) Sendo: Inf = Corrente nominal do fusível limitador (A); Inp = Corrente nominal no primário (A). Uma diferença entre os disjuntores e fusíveis limitadores é que os disjuntores requerem instrumentos adicionais, tais como transformadores de corrente e relés, para detectar e atuar no dispositivo de proteção, ao passo que os fusíveis limitadores, já apresentam características próprias de detecção e interrupção, porém devem ser coordenados com outros equipamentos de proteção. Para a especificação e dimensionamento de um fusível limitador de corrente, conforme a NBR 8669 – Dispositivo Fusíveis Limitadores de Corrente, é preciso conhecer os valores de tensão e corrente nominal, corrente mínima de interrupção, curva características de tempo x corrente e a capacidade de ruptura (ABNT, 1984). 3.4.11 Disjuntor de Potência de Média Tensão São equipamentos que tem a finalidade de manobra e proteção de circuitos primários, com capacidade de conduzir e interromper correntes sob condições normais de maneira contínua e anormais durante o menor tempo possível, tais como de sobrecarga ou de curto- circuito. Os disjuntores devem estar sempre associados a relés, cuja função é detectar o fluxo de corrente elétrica e de atuar sobre o disjuntor para abertura ou fechamento dos seus 48 contatos. Também são capazes de interromper correntes de circuitos operando sob carga e a vazio. No Quadro 3.1 estão citadas algumas comparações entre o uso do fusível limitador de corrente e do disjuntor de potência de média tensão em uma subestação. Quadro 3.1 - Comparativo entre fusíveis limitadores e disjuntores de potência. Fusível Limitador Disjuntor de Potência Limitação de potência até 300 kVA. Sem limitação. Capacidade de ruptura Alta. Alta. Tempo de atuação Extremamente Rápido. Rápido. Sensibilidade Para altas correntes eficaz. Para baixas correntes baixo. Para altas e baixas correntes eficaz. Manutenção Após atuação o dispositivo é descartável, necessitando ser substituído. Pode atuar várias vezes no circuito sem sofrer danos. Instrumentos adicionais Não. Requerem TCs e relés. Quanto aos mecanismos de acionamento de um disjuntor, podem ser manuais ou por sistemas à distância, tais como: mola, solenóide, ar comprimido ou hidráulico. Quanto ao sistema de interrupção do arco, os disjuntores podem ser classificados como: disjuntores a óleo, podendo ser de grande ou pequeno volume, disjuntores a ar, disjuntores a vácuo e disjuntores a SF6. Atualmente, em aplicações de subestações de média tensão, vem sendo usados os disjuntores tripolares a vácuo e a SF6, por apresentarem uma alta confiabilidade e segurança no sistema de proteção e uma menor manutenção, conforme ilustrado na Figura 3.11 (a) e (b). No Quadro 3.2 estão citadas algumas comparações entre os tipos de disjuntores. 49 Figura 3.11 - Disjuntor tripolar á vácuo classe 15 kV. (a) Vista lateral (b) Vista frontal Quadro 3.2 - Comparativo entre os tipos dos disjuntores. Disjuntor a Óleo Disjuntor a Ar Disjuntor a Vácuo/SF6 Dimensão Grande. Grande. Pequeno. Confiabilidade Média. Média. Alta. Segurança Risco de explosão. Emissão de gás quente e ionizado durante a atuação do dispositivo. Sem riscos. Manutenção Regular devido a troca de óleo. Regular, devido ao mecanismo de controle. Mínima. Em algumas concessionárias de energia elétrica, existem dentro de suas normas, exigências sobre as características do disjuntor de entrada da subestação, tais como, capacidade de interrupção, nível de curto-circuito, tempo de interrupção entre outros. Para a especificação e dimensionamento de um disjuntor de potência é preciso conhecer os valores de tensão e corrente nominal, frequência nominal, tipo construtivo e de montagem, tempo de interrupção, tipo de comando de abertura e fechamento e a capacidade de interrupção nominal (MAMEDE, 2005). 50 3.4.12 Relés de Proteção São equipamentos que tem como objetivo coordenar e atuar nos outros dispositivos de proteção, tais como, disjuntores e chaves seccionadoras. Estes equipamentos possuem características que diferenciam uma situação de operação normal ou anormal. Caso seja detectada alguma anomalia no circuito, podendo ser uma sobrecarga, curto-circuito, subtensão ou outros fatores que possam danificar os equipamentos dentro de uma subestação, os relés tem a função de interromper esse circuito de uma forma segura e rápida. Quanto à forma construtiva dos relés, podem ser classificados como: eletromagnéticos, eletrodinâmicos, indução, térmicos, eletrônicos e digitais. A escolha do tipo do relé depende muito do sistema onde este será instalado. Atualmente, como ilustrado na Figura 3.12, os relés digitais vêm sendo muito usados em projetos de sistemas de potências, por apresentarem uma maior confiabilidade e coordenação no sistema de proteção comparado com seus antecessores. Também apresentam uma alta precisão devido às amplas faixas de ajustes, uma alta velocidade de resposta e a possibilidade de permitir a comunicação com um sistema supervisório. Figura 3.12 - Relé de proteção multifunção digital. De acordo com a NBR 14039, a proteção mínima deve ser garantida em qualquer sistema elétrico, esta proteção é a de sobrecorrente instantânea e temporizada, função 50 e 51, fase e neutro. Outra função muito importante que deve ser utilizada em projetos industriais é a função 86, relé auxiliar de bloqueio, que tem a função de bloquear o religamento do dispositivo de proteção caso ele atue, necessitando de uma equipe de manutenção para averiguar a causa e efetuar os reparos necessários para restabelecer o circuito. Para proteções de grandes máquinas, tais como, transformadores de potência, geradores e motores de indução é utilizada à função 49, proteção contra sobrecarga térmica, da tabela ANSI, que tem a função de proteger esses equipamentos contra o aquecimento excessivo. 51 Existem outras funções de proteção a serem utilizadas, tais como: diferencial, direcional, distância, sincronismo, sobretensão, subtensão entre outros, porém depende de conhecer o sistema como um todo para uma aplicação adequada e segura. 3.4.13 Transformador de Potência Os transformadores de potência são máquinas elétricas estáticas, que têm a finalidade de transmitir a energia de um circuito primário para um ou mais circuitos, podendo ser de dois ou três enrolamentos. Em uma subestação industrial abaixadora, o transformador tem a função de transformar a tensão primária de média tensão em tensões menores compatíveis para alimentar os equipamentos instalados, sem que haja alteração na frequência. Quanto ao meio isolante, os transformadores são classificados em transformadores imersos em óleo mineral e transformadores a seco. De acordo com a NBR 14039, o presente trabalho dará foco aos transformadores a seco, conforme a Figura 3.13, por se tratar de um projeto de subestação abrigada, não podendo ser utilizados transformadores a óleo por fazer parte integrante da edificação industrial. Figura 3.13 - Transformador a seco, classe 15 kV. Conforme o item 3.3, para o dimensionamento da potência do transformador deve-se fazer um estudo de carga, levando em consideração todas as cargas instaladas com seus respectivos fatores de demanda. Após a determinação da potência, pode-se obter a corrente nominal secundária do transformador, conforme a equação (3.6), que irá alimentar o quadro geral de baixa tensão (QGBT). 52 (3.6) Sendo: Ins = Corrente nominal no secundário do transformador (A); S = Potência nominal aparente do transformador (kVA); Vns = Tensão nominal secundária do transformador (kV). Deve ser dada uma atenção especial ao dimensionar um transformador de potência, pois é necessário verificar o nível de curto-circuito no secundário, pois quanto maior for o valor da intensidade do curto-circuito, mais elevado serão os custos para os demais equipamentos para suportar tais níveis, como disjuntores, cabos alimentadores e painéis elétricos. A equação (3.7) mostra como obter o nível da corrente de curto circuito no secundário do transformador. (3.7) Sendo: Icc-sec = Corrente de curto-circuito no lado secundário do transformador; Ins = Corrente nominal no secundário do transformador (A); Z% = Impedância percentual do transformador. Uma forma de limitar a corrente de curto-circuito entre fase-terra em um transformador de potência é o uso de resistores de aterramento, que nada mais são que um conjunto de resistências ligadas em série e acomodadas no interior de um armário metálico por meio de isoladores de cerâmica tendo estes a mesma classe de tensão do sistema ao qual será interligado, que tem como função reduzir esses níveis de corrente de falta para um menor valor para que não danifiquem os equipamentos ou que possam trazer riscos para a vida humana. Para a especificação e dimensionamento de um transformador de potência, conforme a NBR 10295 – Transformadores de Potência Secos, é preciso conhecer os valores de potência nominal, as tensões primárias e secundárias, a impedância percentual, o tipo de ligação dos enrolamentos, o deslocamento angular e a tensão suportável de impulso (ABNT, 2011). 53 3.4.14 Cabos Elétricos de Baixa Tensão Os cabos elétricos de baixa tensão tem a mesma função que os cabos de média tensão, ou seja, tem o objetivo de distribuir energia elétrica para todo o sistema elétrico, alimentando todas as cargas instaladas, tais como, motores, transformadores e painéis elétricos. Os cabos de baixa tensão (BT) podem ser classificados como:  Cabos termoplásticos: são cabos que utilizam como material isolante o cloreto de polivinila, mais conhecido como PVC, que suportam uma temperatura máxima de operação de 70ºC;  Cabos termofixos: são cabos que tem como material isolante o polietileno reticulado (XLPE) ou a borracha etilenopropileno (EPR), que suportam uma temperatura máxima de operação de 90ºC. Atualmente, os cabos com isolação em EPR são muitos utilizados para pontos de forças, como alimentadores de motores e painéis elétricos, por possuírem uma maior capacidade de corrente e por suportarem uma maior temperatura quando comparados aos cabos de isolamento de PVC. Os cabos de baixa tensão também podem ser classificados como unipolar ou multipolar. Para uma seção menor que 16 mm², podem ser usados os cabos multipolares devido à facilidade de instalação, porém para uma seção superior a 16 mm² é aconselhável utilizar cabos unipolares devido à flexibilidade durante a instalação. De acordo com a NBR 5410, o dimensionamento dos cabos de baixa tensão deve-se atender aos seguintes critérios:  Seção mínima: regulamenta que as seções mínimas admitidas em qualquer instalação de baixa tensão estão definidas na Tabela 47, item 6.2.6., da referida norma;  Capacidade de corrente: determina a maior corrente que a seção do condutor suporta devido à escolha do método de instalação, levando em conta o fator térmico, a resistividade térmica do solo (quando cabível) e o fator de agrupamento dos cabos;  Queda de tensão: determina a maior distância que o cabo alimentador possa fornecer a tensão exigida pela carga em condições adequadas. A equação (3.8) mostra como obter uma seção ideal do condutor para uma carga trifásica que atenda uma determinada queda de tensão exigida. 54 (3.8) Sendo: Sc = Seção do condutor (mm²); = Resistividade do condutor (.mm²/m); Lc = Comprimento do circuito (m); Ic = Corrente da carga (A); = Queda de tensão máxima admitida (%); = Tensãofase-fase (V).  Capacidade de condução de corrente de curto-circuito por tempo determinado: determina a seção mínima do condutor que seja capaz de suportar uma particular condição de curto-circuito, conforme a equação (3.9). (3.9) Sendo: Sc = Seção do condutor (mm²); Tc = Tempo de eliminação de defeito (s); Ics = Corrente simétrica de curto-circuito (kA); Tf = Temperatura máxima de curto-circuito na isolação (ºC); Ti = Temperatura máxima em regime contínuo (ºC). Para a especificação e dimensionamento de um cabo de baixa tensão é preciso conhecer os valores das seções nominais dos condutores, classe de tensão, material da isolação, material da capa de proteção e a maneira da disposição dos condutores, sendo unipolar ou multipolar (MAMEDE, 2005). 3.4.15 Barramento Blindado O barramento blindado, conforme ilustrado na Figura 3.14, mais conhecido como “busway”, é um conjunto de barras de cobre ou de alumínio, sustentadas dentro de um material isolante em peça metálica, que tem a função de transportar e distribuir a energia elétrica através de seus elementos condutores, com a capacidade de suportar a corrente nominal passante sem apresentar queda de tensão excessiva, aquecimento e ruídos. 55 Figura 3.14 - Barramento blindado - Busway. Os barramentos blindados são muito utilizados para transportar altas correntes em distâncias razoavelmente grandes, tais como, interligações entre os transformadores e quadros de cargas, grupos geradores à rede de distribuição de cargas, entre outros, acarretando uma maior flexibilidade e confiabilidade na instalação, substituindo as altas seções e quantidades de cabos alimentadores. São apresentadas na Tabela 3.5 algumas características elétricas de barramentos blindados de cobre de uso interno para seu dimensionamento. Tabela 3.5 - Características elétricas de barramentos blindados de cobre (MAMEDE, 2011). Capacidade de corrente a 35ºC Resistência Reatância Fase Neutro (A) (mΩ/m) (mΩ/m) 10 X 40 10 X 40 750 0,0446 0,19300 10 X 60 10 X 40 1000 0,0297 0,17000 10 X 80 10 X 40 1250 0,0223 0,16800 10 X 100 10 X 60 1550 0,0178 0,15300 10 X 120 10 X 60 1800 0,0148 0,14100 10 X 60 10 X 60 1650 0,0148 0,15800 10 X 80 10 X 80 2000 0,0111 0,14600 10 X 100 10 X 100 2400 0,0089 0,13500 10 X120 10 X 120 2800 0,0074 0,12300 Seção da barra (mm²) Númeos de barras por fase 1 2 Para a especificação e dimensionamento de um barramento blindado é preciso conhecer os valores da tensão e da corrente nominal, a seção nominal da barra, a classe de tensão e o grau de proteção do invólucro (MAMEDE, 2005). 56 3.4.16 Disjuntores de Baixa Tensão Os disjuntores de baixa tensão tem a mesma função e seguem os mesmo princípios que os disjuntores de potência, ou seja, são equipamentos que tem a finalidade de manobra e proteção de circuitos primários, com capacidade de conduzir e interromper correntes sob condições normais de maneira contínua e anormais durante o menor tempo possível, tais como de sobrecarga ou de curto-circuito. Quanto ao tipo construtivo, pode-se classificar os disjuntores de baixa tensão como: disjuntores abertos (Air Circuit Breaker), disjuntores de caixa moldada e disjuntores modulares (mini-disjuntores). A escolha do tipo do disjuntor se dá pelo nível do curto-circuito do sistema, no caso de um disjuntor instalado entre um transformador de potência e um quadro geral de baixa tensão (QGBT), pode-se calcular esta corrente de curto-circuito pela equação (3.8). Os disjuntores do tipo aberto e caixa moldada são geralmente usados na proteção dos quadros elétricos, por suportarem um nível maior de corrente nominal e corrente de curto- circuito, já os disjuntores modulares são usados para cargas pontuais. Na Figura 3.15 são ilustrados os tipos dos disjuntores de baixa tensão. Figura 3.15 - Disjuntores de baixa tensão, da esquerda para direita: disjuntores modulares, disjuntor do tipo caixa moldada e disjuntor do tipo aberto. Para a especificação e dimensionamento de um disjuntor de baixa tensão, conforme a NBR IEC 60947-2 – Disjuntores, é preciso conhecer os valores da tensão e da corrente nominal, a frequência nominal, a capacidade de interrupção, o acionamento (manual ou motorizado) e o tipo construtivo e de montagem (ABNT, 1998). 57 3.4.17 Quadro Geral de Baixa Tensão O quadro geral de baixa tensão (QGBT) são caixas metálicas, formados de uma ou mais seções verticais denominadas "colunas", auto sustentáveis, montadas justapostas, formando um conjunto contínuo de mesma altura, que tem o objetivo de abrigar os equipamentos de seccionamento, proteção, instrumentação e comando da instalação. O QGBT é a entrada principal de energia localizado na subestação, sendo o primeiro quadro depois do transformador que tem a função de distribuir a energia elétrica nos equipamentos a serem utilizados na instalação. Conforme os requisitos da NR-10, os QGBTs deverão ser providos de dispositivos de proteção, isolação de terminais energizados e sinalização padronizada. O quadro geral de baixa tensão deverá ter uma porta documentos afixado externamente à porta frontal, traseira, lateral ou em parede próxima, com a finalidade de guardar os respectivos desenhos pertinentes ao sistema elétrico. O quadro de baixa tensão deve ser projetado para atender completamente a norma NBR IEC 60439-1 - Conjunto de Manobra e Controle de Baixa Tensão, garantindo uma maior segurança pessoal e da edificação onde estão instalados. Os quadros são classificados em TTA (conjunto de manobra de controle de baixa tensão com ensaios de tipo totalmente testados) e PPTA (conjunto de manobra de controle de baixa tensão com ensaios de tipo parcialmente testados) (ABNT, 2003). O QGBT deve possuir um barramento principal, constituído de cobre eletrolítico, isolados, horizontal, com a capacidade de condução de corrente em regime permanente e de suportar os esforços resultantes da corrente de curto-circuito. Todos os barramentos devem ser trifásicos, fixados rigidamente à estrutura por meio de suportes isolantes e possuírem uma identificação por cores, ou seja, uma cor para cada fase. Quanto à forma construtiva, no Quadro 3.3, apresentam diversas formas típicas. 58 Quadro 3.3 - Classificação construtiva dos quadros de baixa tensão (ABNT, 2003). Critério principal Subcritério Forma Nenhuma separação Forma 1 Terminais para condutores externos não separados do barramento Forma 2a Terminais para condutores externos, separados do barramento Forma 2b Terminais para condutores externos não separados do barramento Forma 3a Terminais para condutores externos separados do barramento Forma 3b Terminais para condutores externos no mesmo compartimento, bem como a unidade funcional associada. Forma 4a Terminais para condutores externos não no mesmo compartimento que a unidade funcional associada, mas em espaços protegidos ou compartimentos individuais, separados e fechados. Forma 4b Separação de barramentos das unidades funcionais Separação de barramentos das unidades funcionais e separação de todas as unidades funcionais entre si. Separação dos terminais para condutores externos das unidades funcionais, mas não entre elas. Separação de barramentos das unidades funcionais e separação de todas as unidades funcionais entre si, inclusive os terminais para condutores externos que são partes integrantes da unidade funcional. Para a especificação e dimensionamento de quadro geral de baixa tensão é preciso conhecer os valores de tensão e de corrente nominal, nível básico de impulso, classificação quanto aos ensaios, tipo construtivo e a corrente de curto-circuito. 3.4.18 Banco de Capacitores O banco de capacitores é um dispositivo muito utilizado em sistemas elétricos, que tem a função de corrigir o fator de potência, devido à utilização de equipamentos dotados de bobinas instalados no sistema, tais como motores de indução, reatores e transformadores, que causam a diminuição desse fator. Os bancos de capacitores podem ser classificados como:  Fixo: os bancos de capacitores não possuem nenhum tipo de controle, ou seja, os capacitores permanecem ligados independentemente das condições das cargas;  Automático: os bancos de capacitores possuem um controlador eletrônico, que tem a função de verificar a necessidade de inserir ou retirar as cargas capacitivas do sistema de acordo com a necessidade; 59  Programáveis: os bancos de capacitores podem ser ligados em períodos pré-definidos de acordo com a variação do fator de potência. A Figura 3.16 e as equações (3.3), (3.10), (3.11), (3.12) e (3.13) demonstram como obter uma correção do fator de potência para 0,92, conforme a Resolução Normativa nº 414/10 da ANEEL (ANEEL, 2010). Figura 3.16 - Triângulo de potência. Primeiramente, calcula-se o fator de potência da carga utilizando a equação (3.3), citada no item 3.3.3 deste presente trabalho. (3.3) Sendo: Fp = Fator de potência; P = Potência ativa da carga (kW); S = Potência aparente da carga (kVA). Em seguida calcula-se a potência reativa correspondente, conforme as equações (3.10) e (3.11). (3.10) (3.11) Sendo: Q = Potência reativa da carga (kVAR); = Ângulo entre a potência aparente e a potência ativa (º); Fp = Fator de potência; P = Potência ativa da carga (kW). 60 Após o cálculo da potência reativa, calcula-se qual o valor da potência reativa para um fator de potência de 0,92, conforme as equações (3.12) e (3.13). (3.12) (3.13) Sendo: = Potência reativa da carga para um fator de potência de 0,92 (kVAR); = Ângulo entre a potência aparente e a potência ativa para um fator de potência de 0,92 (º); P = Potência ativa da carga (kW). Portanto o valor do banco de capacitores a ser utilizado para tal correção é dada na equação (3.14). (3.14) Sendo: = Potência reativa da carga do banco de capacitores (kVAR); Q = Potência reativa da carga (kVAR); = Potência reativa da carga para um fator de potência de 0,92 (kVAR). Porém a correção do fator de potência, com o uso de banco de capacitores, podem criar condições de ressonâncias provocadas por correntes harmônicas, geradas por cargas não lineares, tais como motores, que podem acarretar danos para os equipamentos instalados. Por isso, dependendo da instalação e dos níveis de distorções, normalmente utiliza-se filtros de dessintonia, que tem a finalidade de evitar que essas distorções afetem o funcionamento dos equipamentos e dos capacitores. 3.5 Arranjo Físico Típico de uma Subestação Abrigada Para um projeto de arranjo físico de uma subestação, precisam-se conhecer os padrões da concessionária local, pois cada concessionária de energia elétrica possui suas próprias normas sobre a construção e o arranjo de subestações de consumidor. Além de conhecer os padrões da concessionária, é necessário conhecer o digrama unifilar do projeto e as dimensões dos equipamentos que serão instalados nos cubículos. 61 As dimensões dos cubículos primários devem ser suficientes para a instalação dos equipamentos e sua eventual manutenção ou remoção, bem como permitir livre circulação dos trabalhadores e execução de manobras de forma segura. Cada cubículo deve apresentar uma grade de tela metálica de proteção, com abertura para fora, apresentando uma altura mínima de 1,7 m e com uma distância mínima de 0,3 m entre a parte inferior da tela e o piso, com a finalidade de evitar e impedir uma aproximação física não intencional com algum equipamento energizado ou partes vivas. Os cubículos também devem ser providos de janelas e vidraças, com a finalidade de prover a iluminação natural, sempre que possível. 3.5.1 Altura da Subestação Para determinação da altura mínima da subestação utiliza-se a equação (3.15) (MAMEDE, 2011). (3.15) Sendo: Hse = Altura da subestação (mm); Ht = Altura do transformador (mm); Hac = Distância entre chave seccionadora e o dispositivo de proteção (mm); Hc = Altura da chave seccionadora (mm); Hi = Altura do isolador (mm); Hab = Afastamento do barramento (mm). 3.5.2 Porta de Entrada da Subestação A porta de acesso principal da subestação deve ser provida de portas metálicas, com abertura para fora, com dimensões mínimas de 0,80 x 2,10 m, conforme a NBR-14039, e ter fixada uma placa contendo a seguinte frase: “PERIGO DE MORTE – ALTA TENSÃO”, e os símbolos indicativos desse perigo. Para determinação da largura da porta de acesso da subestação, deve-se considerar a dimensão do maior equipamento instalado, no caso o transformador de potência, conforme indicado na equação (3.16). (3.16) 62 Sendo: Lp = Largura da porta de acesso (m); Dt = Dimensão do transformador (m). 3.5.3 Área de Circulação De acordo com a NBR-14039, a área de circulação dos corredores deve apresentar dimensão mínima de 0,70 m de espaço livre, considerando o pior caso, ou seja, com todas as portas e telas abertas, equipamentos extraídos em manutenção, assegurando uma circulação segura dos operadores dentro de uma subestação. 3.5.4 Cubículo de Entrada O cubículo de entrada é destinado à entrada dos condutores elétrico na subestação. A entrada desses condutores pode ser por meio aéreo ou subterrâneo, conforme ilustrado na Figura 3.17. Se a entrada dos condutores elétricos para este cubículo for de forma aérea, deveram ser instalados pára-raios na parte externa do cubículo, juto às buchas de passagem de média tensão. Caso a entrada seja de forma subterrânea, no interior do cubículo deveram ser instalados pára-raios junto às muflas de entrada. 63 Figura 3.17 - Diagrama unifilar do cubículo de entrada da subestação. 3.5.5 Cubículo de Medição O cubículo de medição é destinado à medição de energia elétrica, sendo de uso exclusivo da concessionária, sendo proibido qualquer acesso de pessoas não autorizadas. Nesse cubículo se localizam os equipamentos de medição, tais como o medidor de energia e os transformadores de corrente e potencial, conforme ilustrado na Figura 3.18, que são fornecidos e instalados pela própria concessionária. 64 Figura 3.18 - Diagrama unifilar do cubículo de medição da subestação. A medição pode ser realizada em média ou baixa tensão, dependendo da potência instalada da subestação. De acordo com cada concessionária, em geral, para uma subestação com capacidade instalada de até 300 kVA, a medição é feita na baixa tensão, não necessitando a construção do cubículo de medição. Para capacidade de tr