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Sistemas Elétricos Aplicados a Parques Eólicos

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Academic year: 2021

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Sistemas Elétricos Aplicados a

Parques Eólicos

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SENAI

Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial

CTGAS-ER

Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis

Av. Capitão | Mor Gouveia, 1480 | Lagoa Nova | Cep: 59.063-400 | Natal/RN | Brasil Tel.: +55 0**84 3204-8000 | Fax: +55 0**84 3204-8090

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Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis– CTGAS-ER Diretora Executiva

Cândida Amália Diretor de Tecnologias Pedro Neto Nogueira Diógenes

Diretor de Negócios José Geraldo Saraiva Pinto

Unidade de Negócios de Educação – UNED Coordenadora

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Sistemas Elétricos Aplicados a

Parques Eólicos

Hudson da Silva Resende

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© 2011 CTGAS-ER

Qualquer parte desta obra poderá ser reproduzida, desde que citada a fonte.

Equipe técnica que participou da elaboração desta obra

Nucleo de Educação a Distância

Mirtz de Aguiar Santos

Maria Luciana Bezerra de Oliveira

Coordenador de NEAD - CTGAS-ER

Elenita dos Santos

Ficha catalográfica

SENAI

Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial CTGAS-ER

Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis

Av. Capitão | Mor Gouveia, 1480 | Lagoa Nova | Cep: 59.063-400 | Natal/RN | Brasil Tel.: +55 0**84 3204-8000 | Fax: +55 0**84 3204-8090 Email: nead@ctgas.com.br Portal: www.ctgas.com.br

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6 SUMÁRIO

I – INTRODUÇÃO 8

II – OBJETIVO GERAL 9

III – APRESENTAÇÃO E OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM. 10

IV – SIGLAS 11

V – FIGURAS. 12

1. INFRAESTRUTURA ELÉTRICA SIMPLIFICADA DOS AEROGERADORES. 14 1.1.PRINCIPAIS CIRCUITOS E EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS 14

1.1.1 Descrição Básica dos Circuitos e Equipamentos de uma Aerogerador 14

2. REDE DE DISTRIBUIÇÃO INTERNA /COLETORA DE MÉDIA 26

2.1 Rede de Distribuição Interna Subterrânea. 27

2.2 Rede de Distribuição Interna Aérea. 31

3. SUBESTAÇÕES ELÉTRICAS EM PARQUES EÓLICOS. 33

3.1 DEFINIÇÃO BÁSICA DE UMA SUBESTAÇÃO 34

3.2 TIPOS DE SUBESTAÇÕES (CLASSIFICAÇÃO): 34

3.2.1 FUNÇÃO NO SISTEMA ELÉTRICO: 34

3.2.1.1 Subestação Transformadora 34

3.2.1.2 Subestação Seccionadora, de Manobra ou de Chaveamento. 34

3.2.2 MODO DE INSTALAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS EM RELAÇÃO AO MEIO AMBIENTE: 35

3.2.2.1 Subestação Externa ou Ao Tempo 35

3.2.2.2 Subestação Interna ou Abrigada 35

3.3 PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS DE UMA SUBESTAÇÃO E SUA FUNÇÃO. 36

Aterramento e Sistema de Proteção contra descargas atmosféricas. 47

4 LINHA DE TRANSMISSÃO E CONEXÃO COM A REDE DE DISTRIBUIÇÃO ELÉTRICA. 50

4.1 Definição. 51

4.2 Características gerais da Linha de Transmissão 51

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5 QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA FORNECIDA POR AEROGERADORES. 62

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8

I – INTRODUÇÃO

Hoje em dia há uma tendência mundial do uso de fontes de energia renováveis para a geração de energia elétrica. Com o intúito de diversificar sua matriz energética, o governo brasileiro, buscando também permanentemente a utilização de energias renováveis para a redução dos efeitos do aquecimento global, tem na geração eólica uma fonte de energia que entre as fontes renováveis de energia, a que mais apresenta forte crescimento mundial. E por se tratar de o objetivo final desse processo de transformação energética ser a geração de energia elétrica, nesse sentido, fica óbvia a grande utilização e aplicação da engenharia elétrica em parques eólicos.

Dessa forma, neste trabalho é apresentado de forma resumida 05 (Cinco) etapas macros (aqui descritas como unidades) da construção de um parque eólico com um foco na parte elétrica, considerando desde o ponto desde os componentes internos do aerogerador até o ponto de conexão e linha de transmissão, assim como, o impacto do mesmo na qualidade da energia elétrica da rede após a conexão. As mesmas podem ser visualizadas na figura 01, abaixo.

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II – OBJETIVO GERAL

O presente trabalho tem como objetivo apresentar as principais características da aplicação da engenharia elétrica na construção de parques eólicos.

Divididas em 05 etapas macros de implantação do parque, com foco nas instalações elétricas, proporciona ao leitor (aluno do Curso de Aperfeiçoamento em Energia Eólica do CTGAS-ER) uma base de conhecimento técnico.

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III – APRESENTAÇÃO E OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM.

Os trabalhos referentes às instalações industriais elétricas em um parque eólico, abrangem os seguimentos de obra de infraestrutura desde os aerogeradores até a o ponto de conexão, passando pela rede coletora, subestações unitárias, subestação elevadora e linha de transmissão, incluindo todas as interligações e interdependências entre os distintos projetos. Tais etapas, assim como o impacto destas instalações no sistema elétrico, serão abordadas de modo geral de acordo a sequência dos capítulos abaixo:

Unidade 1 – Infra-Estrutura Elétrica Simplificada dos Aerogeradores.

• Nesta unidade você terá subsídios para: Identificar os principais circuitos e componentes de um Aerogerador.

Unidade 2 – Rede de Distribuição Interna (Rede Coletora);

• Nesta unidade você terá subsídios para: Identificar os principais circuitos e componentes, função e procedimentos para instalação de uma rede coletora de média tensão. Tanto subterrâneas como aéreas, aplicadas nos parques eólicos.

Unidade 3 – Subestação Elevadora (SE);

• Nesta unidade você terá subsídios para: Identificar a função, os principais tipos e componentes de uma subestação elétrica aplicadas nos parques eólicos.

Unidade 4 – Linha de Transmissão;

• Nesta unidade você terá subsídios para: Identificar a função, os principais e componentes de uma linha de transmissão elétrica aplicadas na conexão dos parques eólicos a rede elétrica existente.

Unidade 5 – Impacto da energia Gerada pelas turbinas eólicas na qualidade da energia elétrica da Rede.

• Nesta unidade você terá subsídios para: A partir da apresentação da Norma IEC 61400-21, identificar os principais parâmetros para avaliação da qualidade de energia gerada por aerogeradores e seu impacto na rede elétrica local onde o mesmo está instalado.

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IV – SIGLAS

WEC – Conversor de Energia Eólica (Wind Energy Converter).

UPS – Fonte de Interrupção Ininterrupta (Uninterruptible Power Supply) LM – Linha de Média Tensão;

IED´s – Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (Inteligent Eletronic Dispositive) SE – Subestação Elevadora;

PAC/PCC – Ponto de acoplamento comum/ Ponto de conexão comum. PRs – Para-raios; TR – Transformador de Força; TPs – Transformador de Potencial; TCs – Transformador de Corrente; LT – Linha de Transmissão; FO – Fibra Ótica;

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12

V – FIGURAS.

Figura 1 Visão geral das etapas de implantação de um parque Eólico com foco na engenharia

elétrica --- 8

Figura 2 Fluxograma de potência no aerogerador – Modelo E-82 Wobben Enercon --- 14

Figura 3 Painel com chave seccionadora com cabos da rede coletora desconectados para teste. --- 16

Figura 4 Transformador interno instalado em edícula ao lado da torre de um aerogerador --- 17

Figura 5 ransformador interno instalalado dentro da torre do aerogerador – Aerogerador E-82 Wobben-Enercon. --- 17

Figura 6 Transformador externo fixado na torre do aerogerador. --- 17

Figura 7 Cable Switch – Sensor de segurança de cabos na nacele. --- 19

Figura 8 UPS modelo Symetra RM da fabricante Schneider Electric.--- 20

Figura 9 Esquema elétrico de um gerador com velocidade constante (Fonte: DEWI,2005) --- 21

Figura 10 Esquema elétrico de um gerador com velocidade variável que usa um conversor de frequência para o controle da frequência da geração elétrica (Fonte:DEWI,2005) --- 21

Figura 11 Lay-out e detalhes do perfil e anel de alumínio nas pás (Fonte: Wobben- Enercon) --- 23

Figura 12 Detalhes da estrutura de proteção dos aparelhos de medição e do dispositivo de centelha dentro do cubo na nacele (Fonte: Wobben-Enercon) --- 24

Figura 13 Dispositivo de proteção eletrônica contra surto modelos SD7 056 Siemens e Quick PRD Scheneider Electric respectivamente. --- 24

Figura 14 Detalhes do sistema de aterramento; a) Conexão entre a estrutura metálica da torre de concreto e os eletrodos da malha de terra à esquerda; b) Barramento de terra dos equipamentos à direita superior; c) Detalhes da instalação dos eletrodos de terra na fundação metálica da torre.(Wobben-Enercon) --- 25

Figura 15 Exemplo de detalhe do sistema de combate a incêndio no Aerogerador E-82 Wobben-Enercon --- 25

Figura 16 Visão Geral da Rede Coletora MT em um Parque Eólico (Fonte: Catálogo Schneider Electric – Modificado para a apostila) --- 26

Figura 17 Detalhamento orientativo para valetamento típico; b) Valeta com cabos enterrados em trecho da Linha de Média em Parque eólico. --- 27

Figura 18 Detalhe do procedimento de lançamento dos cabos vista do lado oposto ao carro tracionador. --- 28

Figura 19 Detalhe de preparação para lançamento dos cabos de força na LM – Vista em direção ao carro tracionador --- 29

Figura 20 Detalhe dos carretéis utilizados dentro das valas no processo de lançamento dos cabos na LM --- 29

Figura 21 Detalhe de proteção física com lançamento das placas de PVC. --- 30

Figura 22 Detalhe de processo de emenda em cabo de média tensão. --- 31

Figura 23 Detalhe de cabo de média tensão após processo de emenda. --- 31

Figura 24 Exemplo de Estrutura aérea utilizada em Redes coletoras Aéreas 13,8 kV. --- 32

Figura 25 Visão Geral da Subestação Elevadora em um Parque Eólico (Fonte: Catálogo Schneider Electric – Modificado para a apostila) --- 33

Figura 26 Vista Geral de SE de 13,8 kV ao Tempo --- 35

Figura 27 Vista Geral de SE de 13,8 kV ao Tempo --- 35

Figura 28 Desenho de SE Abrigada --- 36

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13

Figura 30 Exemplo de Sistema de proteção de Geradores Síncronos com Trafo de aterramento. --- 39

Figura 31 Exemplo de transformador de força e de aterramento em subestação elétrica (TOSHIBA). 39 Figura 32 Exemplo de um TP. --- 40

Figura 33 Exemplo de um TC. --- 40

Figura 34 Exemplo de um Disjuntor. --- 41

Figura 35 Exemplos de pára-raios e relé respectivamente. --- 42

Figura 36 Exemplo de grupo gerador acionado por motor diesel – Modelo C20D6 da Power Generation®. --- 43

Figura 37 Exemplo de Retificador trifásico e banco de baterias em casa de comando de subestação, respectivamente. --- 44

Figura 38 Imagem das paredes corta fogo --- 45

Figura 39 Bacia coletora de óleo da subestação e sistema de drenagem oleosa do transformador ---- 45

Figura 40 Exemplo de extintor incêndio e sensor de fumaça em casa de comando em controle. --- 46

Figura 41 Detalhe de conexão da malha feita com solda exotérmica, montagem e instalação da malha de aterramento em subestação --- 47

Figura 42 Detalhe da aplicação das pontas e cabos pára-raio em subestação. --- 48

Figura 43 Detalhe da aplicação de equipamentos Pára-raios em subestações. --- 49

Figura 44 Vista Geral da conexão da subestação com a Linha de Transmissão. --- 50

Figura 45 Chave e elo Fusível. --- 56

Figura 46 Exemplo de Curvas de Fusão de Elos Fusíveis. --- 57

Figura 47 Religador Eletrônico --- 59

Figura 48 Exemplo de curva de Operação de Religador . --- 60

(14)

14

Unidade 1

1.

INFRAESTRUTURA

ELÉTRICA

SIMPLIFICADA

DOS

AEROGERADORES.

1.1. PRINCIPAIS CIRCUITOS E EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS

Neste item serão apresentadas as informações que caracterizam de forma simplificada e geral o sistema elétrico, e principais componentes dos conversores de energia eólica, aqui denominados de Aerogeradores e/ou WEC (Wind Energy Converter) aplicados para geração de energia elétrica.

1.1.1 Descrição Básica dos Circuitos e Equipamentos de uma Aerogerador

Todas as instalações elétricas no conjunto aerogerador, são fundamentadas no em fluxogramas de potência como no exemplo demonstrado abaixo (Aerogerador de Velocidade Variável), no qual o sistema montado é dividido basicamente em três compartimentos: Nacele, torre e transformador. A distribuição dos equipamentos assim como o tipo de equipamentos é que variam de um modelo de WEC para o outro. Tal variação não é o escopo desse trabalho. Além dessa distribuição, do ponto de vista da engenharia elétrica, podemos analisar o sistema elétrico do aerogerado a partir de 03 circuitos básicos: Circuito de energia principal, circuito de controle da turbina e circuitos auxiliares.

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15

a) Circuito de Energia Principal:

Neste circuito se encontram instalados os geradores elétricos que podem ser assíncronos ou de indução usados na conexão direta com a rede em aerogeradores de velocidade constante, dispensando dispositivos de sincronismo. Em Aerogeradores de velocidade variável dependendo do modelo são utilizados geradores sincronos ou assíncronos (Ou de Indução) onde é necessária a utilização de sistemas eletrônicos (Inversores e placas de sincronismo) para sincronismo com a frequência e tensão da rede (Parte intregrante do circuito de controle da Turbina). A maioria dos geradores elétricos utilizados em parques eólicos atualmente, gera uma faixa média de tensão elétrica 400 a 1000 VAC e em alguns casos específicos em tensões contínuas 1320 VDC.

Além dos geradores elétricos mencionados acima, temos outros componentes principais como:

• Interruptores Fusíveis com correntes que geralmente podem variar de 400 a 2600 A.

• Disjuntores de circuito de Baixa Tensão, geralmente com classe AC3 podendo variar em média de 400 a 2600 A de 400 VAC a 690 VAC.

• Inversores de Frequência com potências podendo variar de 10 kW a 5,3 MW para geradores síncronos ou assíncronos trabalhando em frequências de 50 ou 60 Hz.

• Barramentos, geralmente em cobre com capacidade média de 100 a 800 A/ 800 a 5000 A. Alguns com isolação IP54 e isolamento médio 690V.

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• Tranformadores BT/MT tipo seco ou a óleo. A geração de energia é normalmente em Baixa tensão e injetada na rede coletora em média tensão em valores nominais médios no Brasil de 13,8 kV a 34,5 kV.

Os mesmos podem ser instalados dentro da Nacele, como é mostrado na ilustração ao lado, interno em edícula, na base dentro da torre do aerogerador ou externo instalado na estrutura da torre como é mostrado respectivamente nas figuras 4 a 6.

• Paineis de Seccionamento – Painéis onde é feita a conexão entre o circuito de força principal dos aerogeradores com os cabos da rede coletora. Geralmente por se tratar a rede coletora com tensões elevadas, as conexões são feitas através de muflas como pode ser visto na figura 3 abaixo.

Figura 3 Painel com chave seccionadora com cabos da rede coletora desconectados para teste.

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17 Figura 4 Transformador interno instalado em edícula ao lado da torre de um aerogerador

Figura 5 ransformador interno instalalado dentro da torre do aerogerador – Aerogerador E-82 Wobben-Enercon.

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b) Circuito de Controle da Turbina:

Neste circuito se encontram instalados todos os componentes destinados ao controle automático da turbina, dentre os principais podemos citar o(s):

• CLPs ou PLCs (Controladores Lógicos programáveis): Funciona como o “cérebro” da turbina eólica. Se constitue basicamente em uma central de processamento de dados de alta velocidade, geralmente em tempo real e montada em um chassis (Rack) com módulos de entrada e saídas analógicas e e/ou digital. Na maioria dos casos possui interface de comunicação através de protocolo padrão internacional ou próprio do fabricante do aerogerador com a IHM e supervisório de monitoramento do WEC.

Existem vários fabricantes e modelos no mercado aplicados à geração eólica, inclusive modelos dedicados dos próprios fabricantes dos aerogeradores.

• Em conjunto com os CLPs é utilizado uma gama variada de sensores com as mais diversas funções de monitoramento e controle.Dentre eles podemos citar:

o Sensores de velocidade: Geralmente sensores de pulso do tipo indutivo e/ou encoders analíticos e/ou incrementais;

o Sensores fim-de-curso de ângulo de ataque das pás: Geralmente sensores de pulso do tipo indutivo e/ou encoders analíticos e/ou incrementais;

o Sensor de entreferro: Geralmente utilizados em geradores síncronos cujo rotor é acoplado diretamente no cubo das pás. É constituido de

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micro-19 switches e instalado no espaço existente entre o estator e rotor do gerador.

o Sensor de seguraça dos cabos da nacele (Cable Switch): Sensor similar a um controlador de came, onde a nacele ao girar em um ângulo máximo de projeto do fabricante, aciona um fim de curso interno do sensor que por sua vez interrompe o movimento de giro da necele através do circuito elétrico ligado ao mesmo, impedindo destaforma que os cabos de força e comando se rompam por tração.O mesmo também possibilita a visualização da posição da necele em um supervisório através da variação da resistência de um potenciômetro.

Figura 7 Cable Switch – Sensor de segurança de cabos na nacele.

o Dentre outros temos: Sensor de aceleração do rotor do gerador, sensores de temperatura, sensores de vibração das pás e sensores falta de fase e sobrecorrente dos motores (Relés de proteção)

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• UPS (Uninterruptible Power Supply) – Sistema de alimentação ininterrupta: Sistema similar ao sistema de No-break que fornece energia ao circuito de alimentação do CLP mantendo o mesmo funcionando mesmo quando a energia eólica está sendo coletada. A potência da mesma varia de acordo com a potência projetada para o aerogerador. Logo abaixo temos um exemplo de UPS que tem potência que varia de 2 a 6 kVA.

Figura 8 UPS modelo Symetra RM da fabricante Schneider Electric. A Estratégia de Controle.

Do ponto de vista da engenharia elétrica a principal preocupação de controle em um WEC é a estratégia de controle de potência (Ativa e Reativa) gerada por um aerogerador e em seguida as pertubações que o mesmo pode gerar na rede elétrica, sendo o primeiro prioritário em relação aos fabricantes. Afinal, tradicionalmente, toda a energia que o vento pode fornecer flui pela rede elétrica de forma a reduzir custos de investimentos em equipamentos. Contudo, se um aerogerador for forçado a entregar uma potência constante à rede, definida em contratos de despacho de cargas, se fará necessário o controle dessa potência. Consequentemente haverá uma diferença entre a potência mecânica no eixo e a potência elétrica gerada no estator da máquina.

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21 Com essa restrição, as tensões do rotor deverão ser controladas, de forma que esse excesso ou falta de potência mecânica seja absorvida ou suprida pelo sistema elétrico principal e controlada logicamente considerando também as perdas energéticas inerentes ao próprio sistema. Tal controle é feito através da sintonia dos parâmetros de controle PID (Proporcional – Integrativo – Derivativo) nos quais os valores programados nos equipamentos são segredo industrial, pois variam de equipamento para equipamento e de fabricante para fabricante. Está de acordo com a tecnologia empregada e o que influencia bastante no rendimento final do equipamento. Na sequência temos abaixo a representação de dois esquemas básicos de um aerogerador com velocidade constante e outro com velocidade variável, respectivamente. Ambos tendo o bloco de Controle de sistemas interagindo em todas as etapas do processo.

Figura 9 Esquema elétrico de um gerador com velocidade constante (Fonte: DEWI,2005)

Figura 10 Esquema elétrico de um gerador com velocidade variável que usa um conversor de frequência para o controle da frequência da geração elétrica (Fonte:DEWI,2005)

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22

c) Circuitos auxiliares.

É constituído de todo o conjunto de equipamentos de manobra e/ou proteção incluindo também alguns componentes do sistema de controle que ainda eventualmente tem a função de auxiliar na garantia do funcionamento pleno da turbina eólica em condições inóspitas como calor extremo, frio cortante, umidade excessiva e até mesmo raios que são apenas algumas das condições ambientais.

Existe uma gama bastante diversa de circuitos auxiliares que pode variar de WEC para WEC, onde podemos citar os principais abaixo:

Interfaces Homem-Máquina (HMIs) que fornecem uma visualização de status e situação em tempo real dos aerogeradores.

Sistema de iluminação interna e externa.

Conjunto de componentes com a função de iluminação interna e externa do ambiente no aerogerador, constituído de toda a fiação, interruptores, lâmpadas e dispositivos de proteção como fusíveis e disjuntores inerentes ao circuito.

Sistema de Ventilação e exaustão do Aerogerador

Conjunto de acionamento e motores-ventiladores para ventilação e/ou exaustão do ar quente proveniente do aquecimento de equipamentos internos no aerogerador, principalmente geradores e transformadores de potência.

Sistema de sinalização interna e externa.

Conjunto de Luzes-piloto, interruptores e botoeiras, Luzes de sinalização extroboscópica externa.

Sistema de comunicação e supervisão do aerogerador. Conjunto de componentes responsáveis pelo tráfego de informações elétricas no aerogerador, desde as IHMs, distribuidores óticos, fibras óticas até os cabos de comunicação.

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23 O sistema de proteção contra descargas atmosféricas geralmente é dividido em dois subsistemas nos quais estão respectivamente descritos abaixo.

o Sistema de proteção externa.

Os bordos de ataque e de fuga das pás, assim como as suas pontas, estão equipados com perfis de alumínio que estão interligados por meio de um anel, também de alumínio, junto ao cubo do rotor. Uma descarga atmosférica será absorvida com segurança por estes perfis, a corrente da descarga atmosférica é conduzida por um dispositivo de centelha (Varões) e por cabos para a malha de aterramento em volta da fundação.

Os aparelhos para a medição do vento e a nacele estão protegidos contra a descarga atmosférica, através de uma estrutura de proteção.

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24 Figura 12 Detalhes da estrutura de proteção dos aparelhos de medição e do dispositivo de

centelha dentro do cubo na nacele (Fonte: Wobben-Enercon)

o Sistema de proteção interna.

Todos os principais componentes condutores do aerogerador são ligados aos barramentos de terra com secções transversal apropriadas. Nos principais conectores do aerogerador estão instalados DPS (Dispositivos de proteção contra Surtos), os quais estão ligados a terra com baixa impedância.

Figura 13 Dispositivo de proteção eletrônica contra surto modelos SD7 056 Siemens e Quick PRD Scheneider Electric respectivamente.

o Sistema de Aterramento.

Toda a estrutura metálica interna dentro e fora das torres, assim como os condutores para escoamento das correntes de descarga atmosférica em torres de concreto, assim como torres metálicas, são interligadas aos eletrodos de terra, instalados na estrutura metálica da fundação da mesma, através de barramentos e conectores, como pode ser visto na figura abaixo.

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25 Figura 14 Detalhes do sistema de aterramento; a) Conexão entre a estrutura metálica da torre

de concreto e os eletrodos da malha de terra à esquerda; b) Barramento de terra dos equipamentos à direita superior; c) Detalhes da instalação dos eletrodos de terra na

fundação metálica da torre.(Wobben-Enercon)

o Sistema de Combate a incêndio.

De acordo com o projeto de cada fabricante de aerogeradores, sobre o ponto de vista ergonômico e de proteção a combate a princípios de incêncio e evacuação, possui um extintor de CO2 instalado na nacele conforme a figura exemplo abaixo.

Figura 15 Exemplo de detalhe do sistema de combate a incêndio no Aerogerador E-82 Wobben-Enercon

O sistema de combate a incêndio é complementado com a instalação de sensores de fumaça inteligados oo circuito de intertravamento do aerogerador, onde na existência de um sinistro (incêndio) o mesmo atua no circuito elétrico principal, parando o processo de geração e ativando o sistema de alarme.

(26)

26

Unidade 2

2. REDE DE DISTRIBUIÇÃO INTERNA /COLETORA DE MÉDIA

Neste item serão apresentadas as principais características da rede de média tensão,também denominada de rede de distribuição interna e/ou rede coletora aplicadas em parques eólicos.

De acordo com as normas da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), através da NBR -14039, a faixa de tensão copreendida entre 1kV e 36,2 kV é chamada de média tensão. A norma regulamentadora Nº 10 (NR-10) do Ministério do Trabalho e Emprego Classifica como Alta Tensão todo valor superior a 1 KV.

Normalmente a topologia da rede de média tensão de ligação dos aerogeradores com a subestação é radial. Essa rede coletora que aqui é considerada desde o ponto de entrega nos terminais da turbina eólica até os cubículos blindados na subestação podem ser instaladas de acordo com dois tipos de procedimentos:

• Instalação de Rede de distribuição Interna subterrânea

• Instalação de Rede de distribuição Interna Aérea:

Figura 16 Visão Geral da Rede Coletora MT em um Parque Eólico (Fonte: Catálogo Schneider Electric – Modificado para a apostila)

REDE COLETORA

Barramento coletor nos Cubículos da SE

Ponto de Entrega nos Terminais da Turbina Eólica

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27

2.1 Rede de Distribuição Interna Subterrânea.

a) Descrição básica da Rede Coletora Subterrânea

É uma rede de distribuição interna utilizada em sistemas de geração, incluindo sistemas de geração eólica, onde os cabos de força, aterramento e/ou comunicação são instalados em eletrodutos ou não, agrupados em bancos de dutos enterrados, podendo as mesmas compartilharem ou não o uso do subsolo com outras linhas de serviço público como gás canalisado, telecomunicações, água e esgotos, além de galerias pluvias,entre outros no subsolo das cidades.

b) Processo de instalação.

Existem 04 modalidades de instalações subterrâneas para cabos de energia. São elas: Instalação em dutos subterrâneos, instalação direta no solo, instalação em canaletas e instalação em bandejas, apesar de ser possível a instalação em modalidades mistas. A maneira de se instalar tem grande influência não somente no investimento inicial, mas também no custo operacional e na continuidade do serviço do sistema.

Devido ao atrativo econômico, a instalação de condutores direto no solo vem sendo cada vez mais difundida, principalmente no que diz respeito a sistemas de distribuição interna em parques eólicos de geração de energia como na ilustração abaixo.

Figura 17 Detalhamento orientativo para valetamento típico; b) Valeta com cabos enterrados em trecho da Linha de Média em Parque eólico.

Os valetamentos são executados por escavação mecanizada (Máquinas escavadeiras) e são providos acessórios de separação física (Canaletas de PVC) e sinalização (Fitas de Sinalização) de circuito energizado

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28 A separação física tem como finalidade a proteção dos cabos contra deteriorização por movimentação de terra, contatos com corpos duros, choques de ferramentas em caso de escavações.

A sinalização serve para avisar através da visualização da fita que naquele trecho tem uma LM e que há o risco de danificar a rede e de acidente.

Quando no valetamento existe mais de um trifólio a separação entre eles deve se de no mínimo 400 mm e os cabos devem sofrer amarração em espaços regulares a fim de garantir esta configuração.

O condutor de proteção (aterramento-Tem bitola de acordo com o projeto elétrico da LM) segue no segundo nível, trecho intermediário de 200 mm ao lado do eletroduto de fibra ótica (Comunicação) de acordo com a figura 08.

O valetamento deve seguir preferencialmente na faixa de servidão de linhas de transmissão, faixa de servidão da rodovia e trechos propostos para a mínima interferência com instalações, obras de infraestrutura existentes, o que também diminui o custo de execução da mesma, já que não são necessário novas supressões vegetais por onde passará a rede coletora.

Figura 18 Detalhe do procedimento de lançamento dos cabos vista do lado oposto ao carro tracionador.

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29 Figura 19 Detalhe de preparação para lançamento dos cabos de força na LM – Vista em direção ao

carro tracionador

Figura 20 Detalhe dos carretéis utilizados dentro das valas no processo de lançamento dos cabos na LM

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30 Figura 21 Detalhe de proteção física com lançamento das placas de PVC.

c) Exemplo de cabo utilizado em redes coletoras subterrâneas.

d) Terminações e Emendas.

As terminações são dimensionadas de acordo com a bitola dos respectivo cabos para instalação interna, geralmente tipo terminal modular.

As emendas que é o procesimento sistemático de reconstrução de um trecho do cabo no campo dando continuidade elétrica e dielétrica com um grau de confiabilidade relativamente alto, são posicionadas de acordo com o maior lance possível de fabricação e devidamente identificadas a sua posição com placas de concreto pintadas nas padronizadas em projeto na superfície do terreno. As emendas estarão devidamente enterradas no caminhamento do trecho respectivo.

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31 Figura 22 Detalhe de processo de emenda em cabo de média tensão.

Figura 23 Detalhe de cabo de média tensão após processo de emenda.

2.2 Rede de Distribuição Interna Aérea.

a) Descrição Básica de um Rede de Distribuição interna Aérea

É a rede de distribuição interna utilizada em sistemas de geração, incluindo sistemas de geração eólica, onde os cabos de força, aterramento e/ou comunicação são instalados

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32 com base em diretrizes técnicas em média tensão, com níveis de tensão, padronizadasde acordo com as normas da concessionária onde a mesma é instalada.

b) Processo de instalação.

As redes aéreas possuem características de instalação de acordo com o procedimento de acesso, conexão e uso do sistema distribuição por agentes geradores de energia elétrica da concessionária da região onde o parque será instalado. Tais procedimntos visão estabelecer os critérios e requisitos mínimos para a conexão. Os componentes de proteção dessas linhas são similares aos equipamentos a serem abordados na unidade de Linhas de Transmissão neste trabalho. Abaixo segue umexemplo de LM aérea aplicada ao Parque eólico em Macau de acordo com os padrões de estrutura da COSERN, que é a concessionária na cidade de Natal/RN onde o parque foi implantado.

Foram utilizados postes duplos “T” em concreto armado,10,5m,11m, 12 e 13 metros de altura e resistências de 200, 300 e 600 daN. Usadas cruzetas em concreto armado tipo “T” normal 1900 mm.

Figura 24 Exemplo de Estrutura aérea utilizada em Redes coletoras Aéreas 13,8 kV. Pára-raios

Mufla de terminação Chave fusível

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33

Unidade 3

3.

SUBESTAÇÕES ELÉTRICAS EM PARQUES EÓLICOS.

Neste capítulo serão apresentadas as informações básicas que caracterizam a infraestrutura eletromecânica de subestações elétricas aplicadas em parques eólicos, um descritivo resumido dos tipos e apresentação dos principais equipamentos que compõem as mesmas.

Figura 25 Visão Geral da Subestação Elevadora em um Parque Eólico (Fonte: Catálogo Schneider Electric – Modificado para a apostila)

Subestação Elevadora do no Parque eólico. (SE).

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3.1 DEFINIÇÃO BÁSICA DE UMA SUBESTAÇÃO

Uma subestação (SE) é um conjunto de equipamentos de manobra e/ou transformação e ainda eventualmente de compensação de reativos usado para dirigir o fluxo de energia em sistema de potência e possibilitar a sua diversificação através de rotas alternativas, possuindo dispositivos de proteção capazes de detectar os diferentes tipos de faltas que ocorrem no sistema e de isolar os trechos onde estas faltas ocorrem.

Num sistema de distribuição elétrica, as subestações construídas após as ETDs (Estações Transformadoras de Distribuição), rebaixam o valor de tensão para níveis capazes de serem distribuídos pelos postes nas ruas em padrões de tensões que vão de 3,8kV a 34,5kV,são comumente chamadas de “Cabine Primária”, O glossário da NBR 14.039, que trata de instalações elétricas de 1kV a 36,2 kV (Já mencionada), não possui denominação de “Cabine Primária”,por tanto esta apostila trata essas instalações somente como subestações.

3.2TIPOS DE SUBESTAÇÕES (CLASSIFICAÇÃO):

As subestações podem ser classificadas quanto à sua função e ao seu modo de instalação em relação ao ambiente onde foi instalada.

3.2.1 FUNÇÃO NO SISTEMA ELÉTRICO: 3.2.1.1 Subestação Transformadora

É aquela que converte a tensão de suprimento para um nível diferente (maior ou menor) sendo designada, respectivamente, SE Transformadora Elevadora e SE Transformadora Abaixadora.

Geralmente, uma subestação transformadora próxima aos centros de geração é uma SE elevadora. Subestações no final de um sistema de transmissão, próximas aos centros de carga, ou de suprimento a uma indústria é uma SE transformadora abaixadora.

Geralmente em parques eólicos temos SE Transformadoras Elevadoras, já que a tensão média gerada nos aerogeradores hoje no mercado Brasileiro está na faixa de 380 a 690 VAC e é elevada para uma média tensão que vai de 13,8kV a 34,5kV e dependendo do caso a partir da LM, elevar para altas tensões (Como por exemplo de 34,5 kV para 138kV na SE do parque eólico de Mangue Seco – Guamaré/RN). Essas tensões podem variar de acordo com o projeto do parque e o ponto de conexão com a rede elétrica existente e tensões disponíveis.

3.2.1.2 Subestação Seccionadora, de Manobra ou de Chaveamento.

É aquela que interliga circuitos de suprimento sob o mesmo nível de tensão, possibilitando a sua multiplicação. É também adotada para possibilitar o seccionamento de circuitos, permitindo sua energização em trechos sucessivos de menor comprimento.

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35

3.2.2 MODO DE INSTALAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS EM RELAÇÃO AO MEIO AMBIENTE:

3.2.2.1 Subestação Externa ou Ao Tempo

É aquela em que os equipamentos são instalados ao tempo e sujeitos às condições atmosféricas desfavoráveis de temperatura, chuva, poluição, vento, etc., as quais desgastam os materiais componentes, exigindo, manutenção mais freqüente e reduzem a eficácia do isolamento.

Esse tipo de subestação é a mais empregada em parques eólicos em decorrência principalmente da potência gerada pelos mesmos.

Figura 26 Vista Geral de SE de 13,8 kV ao Tempo

Figura 27 Vista Geral de SE de 13,8 kV ao Tempo

3.2.2.2 Subestação Interna ou Abrigada

É aquela em que os equipamentos são instalados ao abrigo do tempo, podendo tal abrigo consistir de uma edificação e de uma câmara subterrânea.

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36 Subestações abrigadas podem consistir de cubículos metálicos, além de subestações isoladas a gás, tal como o hexafluoreto de enxofre (SF6).

Pode ocorrrer de uma subestação ser semi-abrigada.

Figura 28 Desenho de SE Abrigada

3.3 PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS DE UMA SUBESTAÇÃO E SUA FUNÇÃO. 3.3.1 Equipamentos de Transformação

Transformadores, são máquinas elétricas que por meio de indução eletromagnética, transfere energia elétrica de um circuito (bobinas do primário), para outros circuitos (Bobinas do Secundário e Terciário), mantendo a mesma frequência, mas geralmente com tensões e correntes elétricas diferentes. De acordo com os tipos utilizados na construção de um parque eólico, podem ser:

• Transformador de força;

• Transformador de aterramento;

• Transformadores de instrumentos: de corrente de potencial (capacitivos ou indutivos).

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37

Transformadores de Força ou de Potência.

Existem basicamente dois tipos construtivos de transformadores aplicáveis a subestações, sendo a óleo e a seco. Geralmente é utilizado nas subestações eólicas o transformador a óleo. Transformadores de potência são destinados primariamente à transformação da tensão e das correntes operando com altos valores de potência, de forma a elevar o valor da tensão e conseqüentemente reduzir o valor da corrente. Este procedimento é utilizado, pois ao se reduzir os valores das correntes, reduz-se as perdas por efeito Joule nos condutores.

Suas partes principais são:

• Tanque principal: Atrávés do mesmo que se libera o calor transferido pelo núcleo e do enrolamento através do óleo isolante, que por sua vez tem as finalidades de isolar as partes energizadas e refriregar o transformador, tranferindo calor do núcleo para o exterior do tanque. Abriga o núcleo.

• Conservador de Líquido isolante (Balonete): Consiste num reservatório fixado ao transformador na parte superior da carcaça. É destinado a receber o óleo do tanque quando esse se expande, devido aos efeitos do aquecimento por perdas internas.

• Secadores de Ar: Recipientes contendo Sílica-Gel, que serve retirar a umidade do ar que entra no transformador. Éuma comunicação do ambiente externo para o interno do transformador. Os transformadores operam em ciclos de carga variável, o que provoca o aquecimento do líquido isolante (Período de carga máxima), que se expande expulsando o ar que ficacontido na câmara de compensação e/ou no balonete. No período de carga leve, o líquido se resfria provocando a entrada de ar no interior do trafo (Exceto nos trafos selados). A penetração de umidade no interior do mesmo reduz substancialmente as características dielétricas do líquido isolante,resultando em perdas de isolamento das partes ativas e consequente queima do equipamento.

• Núcleo: Constituído do núcleo de aço (Grande quantidade de chapas de ferro-silício de grãos orientados, montados em superposição para evitar perdas de magnetização) e Enrolamentos(Formados por bobinas primárias ,secundárias e, em alguns casos, terciários. Os fios normalmente de cobre eletrolítico,isolados com esmalte, fitas de algodão ou papel especial de acordo com as classes de isolamentos.

• Sistema de Resfriamento:Sistema destinado ao processo de transferência de calor do núcleo para o óleo, como do tanque para o ambiente, onde o processo de transferência por convecção é basicamenteo responsável. O mesmo pode ser feito de duas formas: Convecção Natural e/ou Forçada, onde os trafos são designados quanto ao tipo de

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38 resfriamento por um conjunto de letras que representam as iniciais das palavras correspondentes, ou seja, transformador à:

o Óleo Natural com resfriamento a Ar Natural (ONAN) o Óleo Natural ventilação a Ar Forçada (ONAF)

o Óleo com circulação do óleo isolante Forçada com ventilação a Ar Natural (OFAF) o Óleo com circulação do óleo isolante Forçada com resfriamento a Água Forçada – Water (OFWF)

o Seco com resfriamento a Ar Natural (AN) o Seco com resfriamento a Ar Natural (AF)

Além desses principais temos outros componentes importantes como o próprio óleo isolante, componentes estruturais e identificação, Derivações, componentes de medição, de indicação de níveis, e de retirada de amostra, de segurança como respectivamente:

o Quadro de comando em controle, Base para arrastamento e Base com rodas bidirecionais , placas de identificação;.

o Derivações de primário e secundário (Buchas), Comutadores de Tapes; o Indicadores de Nível e temperatura;

o Dispositivos para retirada de amostras de óle;

o Válvulas de alívio de pressão, Relé de súbita pressão e Relé de Bucholz.

Figura 29 Exemplo de Transformador de Força (Fonte: Catálogo Blutrafos) Quadro de Comando e Controle Balonete Relé de Bulcholz Base para Arrastamento Dispositivo de absorção de umidade Buchas Primárias Indicador de Temperatura Tanque Principal Sistema de Resfriamento por Ar forçado

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Transformadores de Aterramento.

Transformadores de aterramento e/ou reatores de aterramento são equipamentos geralmente utilizados em métodos convencionais de proteção contra faltas de fase-terra de geradores síncronos aterrados com alta impedância (Que no caso, pode ser o conjunto de geradores síncronos dos aerogeradores instalados nos barramentos das redes coletoras). O método geralmente utiliza um relé de sobretenção indicado por 59GN conectado em paralelo com o reator como é representado no circuito abaixo.

Figura 30 Exemplo de Sistema de proteção de Geradores Síncronos com Trafo de aterramento.

Figura 31 Exemplo de transformador de força e de aterramento em subestação elétrica (TOSHIBA). Gerador Síncrono Aterrado PCC ou PAC Transformador e/ou Reator de Aterramento Relé de Sobretensão Trafo de Aterramento Trafo de Força

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Transformadores de Instrumentos.

Os transformadores de instrumentos (TC’s e TP’s) têm a finalidade de reduzir a corrente ou a tensão respectivamente a níveis compatíveis com os valores de suprimento de relés e medidores.

Figura 32 Exemplo de um TP.

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Equipamentos de Manobra

• Disjuntores

• Chaves seccionadoras

Disjuntores: Os disjuntores são os mais eficientes e mais complexos aparelhos de manobra em uso de redes elétricas, destinados à operação em carga, podendo sua operação ser manual ou automática. As chaves seccionadoras são dispositivos destinados a isolar equipamentos ou zonas de barramento, ou ainda, trechos de linhas de transmissão.

Recomenda-se ser somente operados sem carga, muito embora possam ser operadas sob tensão.

Figura 34 Exemplo de um Disjuntor.

Equipamentos para Compensação de Reativos

• Reator derivação ou série;

• Capacitor derivação ou série;

• Compensador síncrono;

• Compensador estático.

Desses equipamentos o que é utilizado com mais freqüência nas SE’s de pequeno e médio porte é o capacitor derivação.

Equipamentos de Proteção

• Pára-Raios;

• Relés de Proteção;

• Fusíveis;

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42 O Pára-raios é um dispositivo protetor que tem por finalidade limitar os valores dos surtos de tensão transitantes que, de outra forma, poderiam causar severos danos aos equipamentos elétricos. Eles protegem o sistema contra descargas de origem atmosféricas e contra surtos de manobra, o mais comum em subestações são o do tipo Válvula.

Os Relés têm por finalidade proteger o sistema contra faltas, permitindo através da atuação sobre disjuntores, o isolamento dos trechos de localização das faltas.

O Fusível se destina a proteger o circuito contra curtos, sendo também um limitador da corrente de curto. Muito utilizado na indústria para a proteção de motores.

Figura 35 Exemplos de pára-raios e relé respectivamente.

Equipamentos de Medição

Constituem os instrumentos destinados a medir grandezas tais como corrente, tensão, freqüência, potência ativa e reativa, etc.

A uma necessidade do acompanhamento das medidas elétricas. Através delas são resolvidos problemas, exemplos: remanejamento de cargas, ampliação do sistema, sobrecargas, sobre-tensão, conferencia de desligamento, etc. Os instrumentos de medição são aparelhos utilizados para medirem diversas grandezas elétricas, tais como tensão, corrente, freqüência, etc. Normalmente nas estações são conectados a TP’s e ou TC’s em virtude dos valores medidos. Os instrumentos podem ser classificados como:

Acumuladores. São aqueles que registram valor acumulado de grandezas medidas, desde o momento de sua instalação ou de tempo predeterminado. (Medidor de energia ativa e reativa).

Indicadores. São aqueles que em qualquer momento indicam o valor nominal ou pico da grandeza medida. Podem ser de leitura direta ou registrador gráfico. (Amperímetro, fasímetro, voltímetro, frequencímetros).

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43

Circuitos auxiliares em SE.

Constituem os instrumentos destinados auxiliar e suprir as funções secundárias de uma subestação, como suprir iluminação, garantia da continuidade do sistema de controle, mesmo quando na falta de energia gerada e proveniente do sistema elétrico connevcional, assim como proteção dos bens materiais, estruturais e humanos dentro da subestação. Dentre os vários equipamentos existentes no mercado podemos citar:

Geradores Elétricos

Constituem os equipamentos destinados a suprir a energia aos circuitos de comando e proteção no caso de uma falta de energia causada por algum problema na alimentação elétrica da subestação e/ou simplesmente acionado pelo operador da subestação numa operação padrão da mesma. Geralmente é instalado em local específico da subestação (Casa de geradores)

Figura 36 Exemplo de grupo gerador acionado por motor diesel – Modelo C20D6 da Power Generation®.

Retificador e Banco de Baterias.

Em grandes instalações como subestações, não ficando de fora as subestações eólicas, e usinas, os comandos de equipamentos utilizados nas unidades são realizados em corrente contínua, normalmente esta é fornecida por um retificador (geralmente trifásico em sistemas eólicos) que é ligado no sistema auxiliar da unidade. Devido à necessidade de manobrar equipamentos em caso de perda das fontes de corrente alternada em que o retificador perde sua função, as baterias são fonte de energia emergencial, pois é necessário preparar a unidade para receber energia novamente, ou seja, abrir disjuntores para isolar equipamentos danificados, desligar cargas que enventualmente tenham ficadas ligadas,comandar comutadores de derivação dos transformadores e/ou realizar comunicação com as partes envolvidas no pronto restabelecimento do sistema.

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44 Figura 37 Exemplo de Retificador trifásico e banco de baterias em casa de comando de subestação, respectivamente.

Sistema de combate a incêndio.

Constituem os equipamentos destinados a proteção e combate a incêndio dentro das casas de comando e na área externa da subestação.

• Parede corta Fogo

• Caixa de óleo dos transformadores de força e aterramento (Caixa de brita)

• Extintores de Incêndio.

• Sensores de fumaça

Parede Corta Fogo

São paredes projetadas para que no caso de um sinistro de explosão e/ou incêndio dos transformadores de força localizado, a chama não se propague para os demais circuitos e equipamentos laterais ao transformador.

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45 Figura 38 Imagem das paredes corta fogo

Bacia Coletora e sistema de drenagem oleosa.

São projetadas e construídas no perímetro dos transformadores, incorporadas às suas respectivas bases com a finalidade de coletar o óleo em um eventual vazamento e a água de chuva, encaminhando essa mistura a uma caixa separadora de água e óleo, podendo também ter a função de manutenção para troca de óleo.

Figura 39 Bacia coletora de óleo da subestação e sistema de drenagem oleosa do transformador Parede Corta Fogo

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46 Extintores.

Devem ser previstos a instalação de extintores portáteis sobre rodas (carreta) de pó químico seco, próximo a cada transformador com capacidade de 50Kg.

Devem ser instalados extintores de gás carbonico – CO2 (6kg) para proteção da sala de painéis dispostos tais que o operador não percorra mais que 20m entre eles, sendo 01 dentro da sala de operação e comando e outro externo em frente a sala do gerador de emergência.

Todos extintores devem possuir marcas de conformidade concedida por órgão credenciado pelo Sistema Brasileiro de Certificação.

Complementando a proteção foi instalado na sala de controle um sistema com sensor de detecção de fumaça atendendo a norma ABNT NBR 14039.

Figura 40 Exemplo de extintor incêndio e sensor de fumaça em casa de comando em controle.

Sensores de fumaça.

Complementando a proteção deve ser instalado na sala de controle um sistema com sensor de detecção de fumaça atendendo a norma ABNT NBR 14039.

Sinalização.

Deverão ser instaladas placas de sinalização indicando as rotas de fuga e a localização dos equipamentos de proteção e combate a incêndio.

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47

Aterramento e Sistema de Proteção contra descargas atmosféricas. Aterramento

O aterramento da subestação deve ser foi feita em atendimento as normas técnicas no Brasil (NBR 14039 e NR10), através de uma malha de terra, sendo dimensionada a partir da medição da resistividade do solo no local da instalação. Utilizando-se em sua contituição, geralmente cabos de cobre nú e soldando as conexões dos mesmos com solda exotérmica na parte enterrada da rede. Devem ser previstos a instalação poços de inspeção de aterramento.

Figura 41 Detalhe de conexão da malha feita com solda exotérmica, montagem e instalação da malha de aterramento em subestação

Algumas Regras Básicas para a elaboração da malha de aterramento:

- Todos os componentes metálicos da subestação (Estruturas, cercas e portões, etc..), inclusive aqueles localizados na sala de controle, devem ser solidamente conectados a malha de aterramento diretamente com conectores, solda exotérmica ou cordoalhas flexíveis de cobre.

- Toda estrutura que possa fazer parte integrante do caminho da corrente de falta deverá possuir, no mínimo, 02 pontos de conexão à malha.

- Tubulações metálicas instaladas na área da subestação devem ser conectadas à malha em um único ponto para se evitar que através das mesmas circulem correntes de falta.

- Toda malha deve ser coberta com uma camada de 100 mm de espessura de brita. A área da malha deve ser circundada por meio fio, de modo a delimitar a superfície britada. Em geral o meio fio é instalado a 1 m de distância externamente ao último condutor de malha. (Essa camada de brita, além de funcioanar como dreno de águas pluviais,atua como isolante, haja visto que sua resistividade, quando encharcada é da ordem de 3000 Ohms.metros)

- “Instalar hastes (eletrodos) de aterramento, preferencialmente do tipo copperweld com diâmetro de ¾” x 3000 mm de comprimento, com prioridade em locais como: cantos da malha, aterramentos de cada pára-raio, neutros de transformadores e reguladores de tensão.

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48 - Junto aos mecânismos de manobra das chaves seccionadoras,deverá ser instalada uma chapa chadrez no piso, ao qual deverá ser devidamente conectada a malha equalizar o potencial nos pés do operador.

SPDA.

O Sistema de Proteção contra descargas atmosféricas da subestação devem ser executadas com base nas normas técnicas no Brasil (ABNT NBR 5419), e internacionais IEEE Std. 998 – 1996; NFPA 780 – 1995.

Geralmente são instalados pára-raios com pontas tipo Franklin e Cabo- Pára raios sob os pórticos de entrada de todas as linhas aéreas e nos transformadores de potência e cabines de comando. Geralmenteem modelo de proteção Eletrogeométrico para proteção dos equipamentos no pátio e aplicação da blindagem eletromagnética –Gaiola de Faraday nas estruturas das casas de comando, controle e operação.

Figura 42 Detalhe da aplicação das pontas e cabos pára-raio em subestação.

Proteção contra descargas diretas.

Trata-se de componentes do sistema que elétrico que possuem a característica de captar e escoar para o potencial de terra as sobretensões (impulsos gerados por descargas atmosféricas) e surtos de tensão (sobretensões impostas ao sistema elétrico por ele próprio), p. ex.: operação de disjuntores, etc.;

• A tecnologia atual dos para-raios utiliza blocos de óxido de zinco (ZnO) encapsulados em suportes isolantes;

• A instalação dos para-raios pode ser sobre suporte no piso ou presos aos condutores das linhas de transmissão.

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49 O tipo de pára-raios mais utilizado é o do tipo válvula em conjunto com contador descargas

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50

Unidade 4

4 LINHA DE TRANSMISSÃO E CONEXÃO COM A REDE DE

DISTRIBUIÇÃO ELÉTRICA.

Neste capítulo são apresentadas as informações e definições que caracterizam Linha de transmissão, nos casos onde a conexão do sistema de geração eólica ao sistema interligado nacional (SIN) ou ao circuito interno, no caso de uma geração autosuficiente é feita através da mesma .

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51

4.1 Definição.

A linha de transmissão é um sistema usado para transmitir energia eletromagnética. Esta transmissão não é irradiada, é sim guiada de uma fonte geradora para uma carga consumidora, geralmente constituída de cabos trançados, estruturas metálicas e/ou de concreto e equipamentos de proteção.

a) Configuração das fases e Definição dos Cabos Pára-raios.

A LT em parques eólicos geralmente é constituída de circuito trifásico simples, com 01 (um) cabo condutor CAA (Alumínio com alma de aço) por fase, tendo sua disposição em formato triangular.

Para o sistema de pára-raios, geralmente, também é utilizado 01 (um) cabo CAA aterrado, em todas as estruturas. O mesmo é situado acima da linha de transmissão aérea com a finalizade de protegê-los contra as descargas atmosféricas.

4.2 Características gerais da Linha de Transmissão a) Cabo codutor e cabo pára-raios.

A LT em parques eólicos geralmente é constituída de circuito trifásico simples, com 01 (um) cabo condutor CAA (Alumínio com alma de aço) por fase, tendo sua disposição em formato triangular. Para o sistema de pára-raios, geralmente, também é utilizado 01 (um) cabo CAA aterrado, em todas as estruturas. O mesmo é situado acima da linha de transmissão aérea com a finalizade de protegê-los contra as descargas atmosféricas.

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52 Exemplo de cabos utilizado em linhas de transmissão.

b) Isoladores.

Geralmente os isoladores utilizados na LT são do tipo polimérico, cujas características estão apresentadas na tabela exemplo a seguir.

c) Condições de projeto.

São consideradas no projeto de linhas de transmissão, várias característicasinerentes ao processo de execução de instalação das mesmas.Dentre as mais importantes podemos citar:

As trações de trabalho para o cabo condutor e pára raios.

Flecha do cabo condutor e Pára-raios em relação distância de segurança aos obstáculos.

Condições de governo dos cabos e estruturas em relação à temperatura ambiente e de trabalho, assim como a velocidade do vento no local da instalação.

Determinação da profundidade das cavas de fundações para engastamento dos postes e/ou estruturas no terreno.

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53 Detalhamento: Temperatura de Locação/Condição de flexa máxima:

Na contrução de linha de transmissão, como já mencionado, são considerados dois fatores importantes de projeto, além das condições de vento onde serão instaladas as mesmas que são:

- Temperatura de Locação: considerando a EDS (Every Day Stress), que se trata de um estado de tração que os cabos da LT experimentam durante o maior período de sua vida útil. Normalmente a temperatura média varia e, desta forma, usualmente é considerada uma temperatura média. Tal temperatura irá influenciar no CREEP (ou fluência) que é o alongamento permanente sofrido pelo cabo quando submetido por longo período de tempo às condições de EDS. Este alongamento pode ser devido à acomodação da cordoalha, deformação plástica transversal do cabo, dentre outros.

- Condição de flecha: Os alongamentos (creeps) de um cabo da LT, devem ser acrescidos aos demais alongamentos devidos à acrescimos de cargas e/ou por variações de temperaturas. Assim, tal efeito afeta os cálculos de tração e de flecha. Num cabo suspenso em condições de EDS, a tração diminui e a flecha aumenta.

Tais dados geramente podem ser descritos em um projeto de LT e/ou Linha aérea de distribuição interna (LM) da seguinte maneira abaixo.

A LT foi projetada para a temperatura de 75º C, final (“creep” de 10 anos), sem vento.

Foi considerado a codição de flecha máxima de para o cabo de pára-raios, temperatura de 40º C, final (“creep” de 10 anos), sem vento.

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54 Tabela de distância de Segurança para estruturas em linhas de transmissão.

4.3. Proteção de Redes Aéreas de Distribuição e Linhas de Transmissão 4.3.1. Considerações gerais

Os sistemas de distribuição de energia são responsáveis pela ligação entre o consumidor final e o sistema de transmissão, provendo energia na tensão e freqüência corretas e na quantidade exata necessária para o consumidor. Para este último, a energia elétrica fornecida aparenta ser constante e de infinita capacidade. No entanto, sistemas de energia, especialmente sistemas de distribuição, estão sujeitos a diversas perturbações causadas por acréscimos de cargas, faltas ocasionadas por fontes naturais, falhas de equipamentos, etc. O caráter de regime permanente da energia fornecida ao consumidor é mantido basicamente por dois fatores: A grande dimensão do sistema frente às cargas individuais e as corretas ações corretivas tomadas pelos sistemas de proteção em casos de distúrbios.

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55 Assim os sistemas de proteção são de fundamental importância no fornecimento de energia elétrica. De modo a manter a qualidade do fornecimento de energia elétrica ao consumidor, os sistemas de proteção devem atender aos seguintes requisitos,

conforme:

• Seletividade: Somente deve ser isolada a parte defeituosa do sistema, mantendo em serviço as demais partes;

• Rapidez: As sobrecorrentes geradas pela falta devem ser extintas no menor

tempo possível, de modo a dificultar que o defeito interfira em outras partes do sistema e danifique os equipamentos da instalação;

• Sensibilidade: A proteção deve ser sensível aos defeitos que possam ocorrer no sistema;

• Segurança: A proteção não deve atuar de forma errônea em casos onde não houver falta, bem como deixar de atuar em casos faltosos;

• Economia: A implementação do sistema de proteção deve ser economicamente viável.

De modo a satisfazer os requisitos acima, a instalação e ajuste dos equipamentos de proteção em uma linha de distribuição (geralmente chamado de alimentador) devem levar em conta a existência de cargas e ramificações em seu 24 percurso. Além disso, chaves distribuídas ao longo do sistema podem mudar a topologia de um determinado alimentador em caso de ocorrência de faltas, sobrecargas ou manutenções programadas, o que também deve ser considerado naproteção. Estas características fazem com que freqüentemente haja a necessidadede instalação de dispositivos de proteção em diversos pontos do sistema.

Com a utilização de vários dispositivos de proteção ao longo do alimentador, surge outro fator a ser considerado no projeto de sistemas de proteção: A coordenação dos diversos dispositivos de proteção. A coordenação é necessária para que somente o dispositivo de proteção mais próximo da falta atue, isolando esta do resto do sistema, satisfazendo o requisito da seletividade e proporcionando maior confiabilidade ao sistema. Sua implementação é feita com a escolha e ajuste adequados dos dispositivos de proteção utilizados.

4.3.2. Dispositivos de proteção

Uma das alternativas na busca de altos níveis de confiabilidade de fornecimento com o melhor custo benefício está na correta utilização dos dispositivos de proteção existentes nos sistemas de distribuição, os quais devem ser eficazes e seletivos, pois caso os mesmos não sejam corretamente aplicados podem vir a interferir diretamente nos

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56 indicadores técnicos de continuidade de forma negativa. Dentre os diversos componentes dos sistemas de distribuição, os dispositivos de proteção apresentam uma importância fundamental, visto que visam manter a integridade física não só de equipamentos, mas também dos eletricistas e da população em geral. A aplicação correta destes dispositivos demanda um tempo elevado e é extremamente trabalhosa, devido ao seu grande número, bem como ao fato de que ao se estudar seus ajustes é necessário levar em conta diversos fatores, tais como, a corrente de carga futura, níveis de correntes de curto-circuito máximos e mínimos, ajustes dos dispositivos de proteção a jusante e a montante.

Os dispositivos de manobra e proteção tradicionalmente utilizados nas redes de distribuição são as chaves fusíveis, chaves repetidoras (religadoras),seccionalizadoras, chaves unipolares do tipo faca e chaves trifásicas com abertura sob carga. Estes dispositivos apresentaram nos últimos anos apenas evoluções construtivas, pois os seus princípios de funcionamento não evoluíram muito. Cada um destes equipamentos apresenta características próprias de aplicação, operação e ajustes. Para uma melhor compreensão, descreve-se a seguir as suas características construtivas e operacionais.

a) Chave e Elos Fusíveis

Os elos fusíveis são dispositivos de proteção amplamente utilizados em sistemas de distribuição. Suas aplicações envolvem basicamente a proteção de ramais de alimentadores, cargas e transformadores de distribuição. Em caso de atuação, os fusíveis resultam na súbita interrupção da corrente que circula pelo circuito, necessitando serem manualmente substituídos para que o sistema volte a sua condição de operação normal.

O elo fusível atua quando uma corrente de valor acima de sua capacidade de condução circula pelo elemento fusível, que entra em fusão, interrompendo o circuito. Apresenta um tempo de atuação que varia de acordo com a intensidade da corrente. O elemento fusível é o principal componente do elo fusível, formado por um fio composto de liga de estanho, prata ou níquel-cromo, conforme mostrado na Figura 45(a). Os elos fusíveis são utilizados juntamente com chaves mecânicas que abrem os contatos em casos de rompimento do fusível, facilitando também a sua troca e o religamento do circuito. Estas chaves são chamadas chaves fusíveis e um exemplo delas pode ser visto na Figura 45(b). O elo fusível é alojado dentro de um tubo de fibra isolante o qual é revestido internamente por uma fibra especial. A queima desta fibra no instante de fusão do elemento fusível produz gases desionizantes importantes na extinção do arco elétrico que surge no momento em que o circuito é aberto.

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57 Os elos fusíveis têm a característica inversa na relação tempo x corrente, isto é, quanto maior a corrente de curto-circuito, menor o tempo de fusão do elo fusível. Existem diversos tipos de bases para as chaves fusíveis dependendo de sua aplicação. Para os sistemas de distribuição de energia elétrica, os tipos de bases mais utilizadas são do tipo A e C, na qual a sua diferenciação está no tamanho, na sua corrente nominal e capacidade de interrupção de corrente de curto-circuito.

Da mesma forma que as chaves fusíveis, existem diversos tipos de elos fusíveis que variam de acordo com as suas aplicações. Para os sistemas de distribuição de energia os mais utilizados são os elos do “TIPO K”. Os elos “TIPO K” têm características rápidas de atuação e admitem sobrecargas de 1,5 vezes os seus valores nominais, sem causar excesso de temperatura ou perda de sua característica “tempo x corrente” (Corrente admissível). Por outro lado, a fusão dos elos “TIPO K” se dá com duas vezes o seu valor nominal.

Os elos fusíveis não possuem um tempo de atuação exato, pois como a sua atuação depende da temperatura de fusão do elemento fusível, esta é influenciada pela temperatura ambiente, corrente de carga, dentre outros. Desta forma o fabricante determina uma faixa de operação aceitável entre duas curvas. Para um mesmo elo fusível, existe a curva de tempo mínimo de fusão (T.mín. F) e a curva de tempo máximo de fusão (T.máx. F). Em resumo, um elo fusível "nunca deve” fundir antes do T.mín. F e nem ultrapassar o T.máx.F. Desta forma o fabricante estabelece uma faixa de tolerância onde pode ocorrer a fusão, que é chamada de "faixa de operação" do elo fusível.

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Referências

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