Barramento de subestações

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Barramento de subestações

  1. 1. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO PROJETO DE FINAL DE CURSOBARRAMENTO DE SUBESTAÇÕES: UM ESTUDO DE CASO COM CONDUTORES RÍGIDOS por SUELEN HOLDER DE MORAIS E SILVA Recife, Maio de 2010
  2. 2. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICABARRAMENTO DE SUBESTAÇÕES: UM ESTUDO DE CASO COM CONDUTORES RÍGIDOS por SUELEN HOLDER DE MORAIS E SILVA Monografia apresentada ao curso de Engenharia Elétrica – modalidade Eletrotécnica da Universidade de Pernambuco, como parte dos requisitos necessários à obtenção do grau de Engenheira Eletricista. ORIENTADOR: METHODIO VAREJÃO DE GODOY, D.Sc. CO-ORIENTADOR: FABIO NEPOMUCENO FRAGA, M.Sc. Recife, Maio de 2010. © Suelen Holder de Morais e Silva, 2010.
  3. 3. Dedico este trabalho aos meus pais,Sidney e Cristina; a minha irmã Soraya; ea meu namorado Kleber, que meincentivaram e ajudaram nos momentosdifíceis, com paciência e conselhos queforam indispensáveis ao meudesenvolvimento profissional e pessoal.
  4. 4. AGRADECIMENTOS Aos meus pais, Sidney e Cristina, pelo amor, compreensão, incentivo eexemplo dado por toda vida. A meu namorado, Kleber, por seu incentivo e apoio incondicional nosmomentos difíceis. A minha irmã, Soraya, por me ajudar e apoiar durante minha caminhada. Ao Professor Methodio Varejão de Godoy pelo apoio e orientação para arealização deste trabalho, além da contribuição em minha formação acadêmica. Aos funcionários da Chesf - Divisão de Projeto de Subestações (DEPS) pelaexperiência profissional e conhecimento adquirido durante meu estágio na empresa,em especial ao meu supervisor do estágio, o engenheiro, Fabio Nepumoceno Fragapela ajuda neste trabalho.
  5. 5. “Há conhecimento de dois tipos: sabemossobre um assunto, ou sabemos onde podemosbuscar informações sobre ele.” (SamuelJohnson)
  6. 6. Resumo da Monografia apresentada ao curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica de Pernambuco.BARRAMENTO DE SUBESTAÇÕES: UM ESTUDO DE CASO COM CONDUTORES RÍGIDOS Suelen Holder de Morais e Silva 05/2010Orientador: Methodio Varejão de Godoy, D.Sc.Co-orientador: Fabio Nepomuceno Fraga, M.Sc.Área de Concentração: SubestaçõesPalavras-chave: Dimensionamento, Barramento, Condutor rígido.Número de Páginas: 111.O presente trabalho apresenta um roteiro para o dimensionamento de barramentosde subestações com o uso de condutor rígido (tubos de alumínio ou cobre),destacando as principais características deste material e as considerações quedevem ser feitas durante o projeto para a seleção do condutor que melhor seadéqua as forças impostas ao barramento, tais como a força do vento e forçasdevido às correntes de curto-circuito. Por não existir na literatura brasileira ummaterial que reúna as informações necessárias ao projeto, serão apresentadasneste trabalho as etapas para tal dimensionamento. Durante o projeto, seráestudada a influência do peso do condutor, e das forças citadas acima nasseparações entre fase e fase-terra, já que uma menor distância implica em reduçãonas dimensões da subestação. Outro item que será verificado são os esforçosimpostos aos isoladores e as estruturas de suporte, que podem ocasionar colapsodo barramento se não forem dimensionados corretamente. Finalizando o trabalho,será realizado um estudo de caso a fim de exemplificar os procedimentos quedevem ser seguidos para o cálculo, este estudo será realizado com a ajuda de umaferramenta computacional para simplificação dos cálculos, já que estes sãodemorados e repetitivos.
  7. 7. LISTA DE FIGURASFigura 2.1 – Esquema de Manobra Barra Simples. .................................................. 22Figura 2.2 – Esquema de Manobra Barra Simples com by-pass. ............................ 23Figura 2.3 – Esquema de Manobra Barra Principal e transferência. ........................ 23Figura 2.4 – Esquema de Manobra Barra Dupla a Quatro Chaves. ......................... 24Figura 2.5 – Esquema de Manobra Disjuntor e Meio. .............................................. 25Figura 2.6 – Arranjo Físico elevado para uma Entrada de Linha no esquema demanobra barra principal e transferência. ................................................................... 26Figura 2.7 – Bay de entrada de linha de uma subestação de 230 kV comesquema de manobra barra dupla a quatro chaves padrão Chesf. .......................... 27Figura 2.8 – Altura da subestação de acordo com o tipo de condutor utilizado. ...... 28Figura 2.9 – Arranjo físico do esquema de manobra disjuntor e meio. .................... 29Figura 2.10 – Tubo de cobre e de alumínio.. ............................................................ 30Figura 2.11 – Efeito corona.. ..................................................................................... 32Figura 2.12 – Fluxo laminar do vento passando por um tubo................................... 33Figura 2.13 – Amortecimento do condutor rígido com um cabo. .............................. 34Figura 2.14 – Amortecimento do condutor rígido com dois cabos............................ 34Figura 2.15 – Conector para fixação do cabo dentro do condutor rígido.................. 34Figura 2.16 – Condutor com as extremidades livremente apoiadas......................... 35Figura 2.17 – Condutor com uma extremidade apoiada e a outra fixa. .................... 36Figura 2.18 – Condutor com as extremidades fixas. ................................................ 36Figura 2.19 – Dois vãos (apoiado – fixo – apoiado). ................................................ 37Figura 2.20 – Três ou mais vãos (apoiado – fixo – fixo – apoiado). ......................... 37Figura 2.21 – Dois ou mais vãos com suporte simples. ........................................... 38Figura 2.22 – Forças aplicadas ao condutor. ............................................................ 39Figura 2.23 – Isopletas dos ventos. .......................................................................... 40Figura 2.24 – Forças impostas aos condutores pela passagem da corrente elétrica. ............................................................................................................... 43Figura 2.25 – Comportamento de uma peça metálica. ............................................. 44Figura 2.26 – Deformação elástica e plástica de um material. ................................. 44Figura 2.27 – Conector de expansão. ....................................................................... 45
  8. 8. Figura 2.28 – Conector de sustentação/apoio. ......................................................... 45Figura 3.1 – Etapas para o projeto de barramento rígido horizontal. ....................... 48Figura 3.2 – Gradiente admissível de tensão de superfície sob condiçõespadronizadas para mesma RI versus o diâmetro do condutor. ................................. 52Figura 3.3 – Distâncias em um sistema monofásico e um sistema trifásico............. 53Figura 3.4 – Ação do vento sobre o tubo do barramento. ........................................ 58Figura 3.5 – Kf versus a altura do barramento. ........................................................ 61Figura 3.6 – Fator Kappa. ......................................................................................... 62Figura 3.7 – Forças durante um curto-circuito trifásico ............................................. 63Figura 3.8 – Forças durante um curto-circuito bifásico ............................................. 63Figura 3.9 – Representação dos vetores das forças exercida sobre o barramento . 64Figura 3.10 – Fator de plasticidade (q). .................................................................... 68Figura 3.11 – Deflexão vertical do tubo devido ao próprio peso. Fonte:[9] .............. 69Figura 3.12 – Deflexão horizontal de um tubo devido a forças de curto-circuito ...... 71Figura 3.13 – Aproximação de condutores durante curto-circuito. Fonte: [9]. .......... 72Figura 3.14 – Deflexão máxima do condutor tubular devido à força dinâmicaresultante. .................................................................................................................. 73Figura 3.15 – Deflexão de um tubo sobre condições de falta................................... 74Figura 3.16 – Momento fletor na base do isolador (a) e na base da estrutura (b).... 78Figura 3.17 – Deflexão da estrutura de suporte do isolador. .................................... 79Figura A.1 – Fatores dinâmicos ( e ) versus .............................................. 98Figura A.2 – Fator dinâmico ( ) versus ......................................................... 100Figura B.1 – ARRANJO FÍSICO – PLANTA SE 230/13,8 kV ................................. 102Figura B.2 – ARRANJO FÍSICO – CORTES A, B E C ........................................... 103Figura B.3 – ARRANJO FÍSICO – CORTES D, E, F E G ....................................... 104
  9. 9. LISTA DE TABELASTabela 2.1 – Cabos amortecedores recomendados. ................................................ 34Tabela 2.2 – Valores de ........................................................................................ 42Tabela 3.1 – Características dos condutores tubulares de alumínio baseado nanorma DIN.................................................................................................................. 50Tabela 3.2 – Propriedades mecânica e elétrica de várias ligas de alumino. ............ 51Tabela 3.3 – Pressões atmosfericas padronizadas. ................................................. 53Tabela 3.4 – Fatores da freqüência fundamental para várias condições de suportedo condutoro. ............................................................................................................. 55Tabela 3.5 – Valores de Kp para determinadas alturas ............................................. 59Tabela 3.6 – Limites de κ para vários sistemas elétricos. ......................................... 62Tabela 3.7 – Máximo comprimento efetivo suportado pelos isoladores paradiversos sistemas desuporte. .................................................................................... 76
  10. 10. LISTA DE ABREVIATURAS / SIGLAS Termo DescriçãoABNT Associação Brasileira de Normas TécnicasAIS Air Insulated Substation Subestação Isolada a ArAT Alta tensãoANEEL Agência Nacional de Energia ElétricaANSI American National Standards Instituto Nacional Americano de Institute PadronizaçãoBSI British Standards Institution Instituto de Padronização BritânicoDIN Deutsches Institut für Normung Instituto Alemão para NormatizaçãoEAT Extra Alta TensãoIEC International Electrotechnical Comitê Internacional de Commission EletrotécnicaIEEE Institute of Electrical and Instituto de Engenheiros Eletricistas Electronics Engineers e EletrônicosGIS Gas Insulated Substation Subestação Isolada a gásHIS Hybrid Insulated Substation Subestações de Isolamento HíbridoNBR Norma BrasileiraNEMA National Electrical Manufacturers Associação Nacional de Fabricantes Association ElétricosONS Operador Nacional do SistemaRI Radio-influence Rádio InterferênciaSE SubestaçõesSF6 Hexafluoreto de enxofre
  11. 11. LISTA DE SÍMBOLOSSimbologia Descrição Área da seção circular do condutor Área projetada ou efetiva Coeficiente de curvatura Coeficiente de arrasto Constante de pressão para uma superfície. , Distância entre os condutores durante curto-circuito Distância mínima entre fases Módulo de elasticidade Gradiente médio de tensão de superfície Gradiente máximo de tensão de superfície Gradiente admissível de tensão de superfície Força devido à corrente de referência de curto-circuito Força sobre os condutores externos durante curto-circuito Força sobre o condutor central durante curto-circuito Força transmitida ao isolador devido à corrente de curto-circuito Força dinâmica transmitida ao isolador devido a curto-circuito com religamento automático Força dinâmica transmitida ao isolador devido a curto-circuito sem religamento automático Força térmica (compressão ou tração) ( ) Força resultante máxima imposta ao isolador ( ) Força resultante imposta ao isolador Força resultante Força dinâmica resultante sem religamento automático Força dinâmica resultante com religamento automático Força do vento sobre o barramento Corrente simétrica de curto-circuito Corrente nominal máxima
  12. 12. Momento de inércia Fator de flexibilidade da estrutura de suporte Momento fletor na base da estrutura Momento fletor na base do isoladorPA Peso do caboPC Peso do tubo condutorPT Peso total do tubo , Estresse resultando em alongamento permanente inferior a 0,2%S1 Fator de aspectos geográficosSFAl Fatores de segurança mínimo T Temperatura Temperatura final Temperatura inicialVo Velocidade básica Tensão de teste entre fase e terra Volume por unidade de comprimento do tubo Velocidade característica do vento A componente do vento característico que é perpendicular ao tubo Velocidade máxima de fluxo laminar do vento Momento resistente a deflexão Diâmetro externo do condutor, cm. Frequência nominal do sistema Máxima frequência natural da força do vento Freqüência natural do tubo ℎ Distância do centro do condutor ao solo, cmℎ Distância equivalente do centro do condutor ao solo para sistema trifásicoℎ Altura da linha de centro do tubo até a base do isoladorℎ Altura da estrutura que sustenta o isolador Constante que depende da altitude do terreno
  13. 13. Fator que considera a influência da rugosidade do terreno, das dimensões da edificação ou parte da edificação em estudo, e de sua altura sobre o terreno ℓ Comprimento do vãoℓ Comprimento permitido do vão devido à deflexãoℓ Comprimento efetivo do vãoℓ Comprimento do vão considerando o estresse mecânicoℓ Comprimento do vão na temperatura inicial Massa do condutor por unidade de comprimento Massa por unidade de comprimento do cabo amortecedor Massa total do condutor p Pressão atmosférica Pressão sobre a superfície do condutor a uma altura z Fator de plasticidade Tempo para religamento Tempo de atuação da proteção durante curto-circuitotw Espessura do tubo Deflexão vertical permitida Real deflexão vertical do tubo Máxima deflexão dinâmica do tubo Máxima deflexão dinâmica do tubo Posições relativas do condutor z Altura sobre o solo Fator de condição de contorno para condutores rígidos Fator de estresse estático Coeficiente de expansão térmica linear γ Fator da frequência fundamental (natural) baseado nos tipos de suportes para o barramento Permissividade do vácuo Máximo estresse estáticoσ O estresse dinâmico máximo sem religamento automático
  14. 14. σ O estresse dinâmico máximo com religamento automático Relação entre as forças dinâmicas e estáticas sobre os isoladores de pedestal. Relação entre os estresses com e sem religamento automático sem sucesso. Relação entre os estresses dinâmicos e estáticos sobre os condutores. ∆ℓ Variação do comprimento do condutor δ Fator de densidade do ar κ Fator kappa Ângulo entre a incidência do vento e o tubo em graus
  15. 15. SUMÁRIOCAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 17 1.1 OBJETIVOS DO TRABALHO ................................................................................................. 18 1.1.1 Objetivo Pricipal ............................................................................................................ 18 1.1.2 Objetivo secundário ...................................................................................................... 18 1.2 METODOLOGIA UTILIZADA .................................................................................................. 18 1.3 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA ........................................................................................... 19CAPÍTULO 2 - REFERENCIAL TEÓRICO ......................................................................................... 20 2.1 ESQUEMAS DE MANOBRA ..................................................................................................... 22 2.1.1 Barra simples ................................................................................................................ 22 2.1.2 Barra simples com by-pass ........................................................................................... 23 2.1.3 Barra principal e transferência ...................................................................................... 23 2.1.4 Barra dupla .................................................................................................................... 24 2.2 ARRANJO FÍSICO ..................................................................................................................... 25 2.3 BARRAMENTO ......................................................................................................................... 28 2.3.1 Condutor rígido: material e características .................................................................... 30 2.3.2 Ampacidade .................................................................................................................. 30 2.3.3 Efeito corona e rádio interferência ................................................................................ 31 2.3.4 Ressonância mecânica no barramento ......................................................................... 33 2.4 ISOLADORES, ESTRUTURAS DE SUPORTE E FERRAGENS. ............................................. 35 2.4.1 Condutor com as extremidades apoiadas. .................................................................... 35 2.4.2 Condutor com uma extremidade apoiada e a outra fixa ............................................... 36 2.4.3 Condutor com as extremidades fixas (biengastada). .................................................... 36 2.4.4 Barramento com condutor contínuo. ............................................................................. 37 2.4.5 Juntas soldadas e acabamento..................................................................................... 38 2.5 FORÇAS APLICADAS AO BARRAMENTO .............................................................................. 38 2.5.1 Peso total do condutor .................................................................................................. 39 2.5.2 Ação do vento ............................................................................................................... 39 2.5.3 Curto-circuito ................................................................................................................. 42CAPÍTULO 3 - DIMENSIONAMENTO DO BARRAMENTO .............................................................. 47 3.1 CAPACIDADE DE CONDUÇÃO DE CORRENTE (AMPACIDADE) – TABELAS ..................... 49 3.2 EFEITO CORONA – CÁLCULO DO GRADIENTE DE TENSÃO .............................................. 51 3.3 VERIFICANDO A NECESSIDADE DE AMORTECIMENTO ..................................................... 54 3.4 FORÇAS ESTÁTICAS: PESO DO TUBO E AÇÃO DO VENTO ............................................... 56
  16. 16. 3.4.1 Peso do condutor .............................................................................................................. 56 3.4.2 Força do vento ................................................................................................................. 57 3.5 FORÇA ELÉTRICA .................................................................................................................... 59 3.5.1 Corrente de referência de curto circuito ............................................................................ 59 3.5.2 Flexibilidade das estruturas de suportes........................................................................... 60 3.5.3 Fator kappa ....................................................................................................................... 62 3.5.4 Pico da corrente de curto-circuito ..................................................................................... 63 3.6 FORÇA RESULTANTE.............................................................................................................. 64 3.7 MÁXIMO ESTRESSE ESTÁTICO IMPOSTO AO CONDUTOR ................................................ 64 3.8 FATOR DINÂMICO .................................................................................................................... 65 3.8.1 Fatores dinâmicos para o sistema de suportes ................................................................ 66 3.8.2 A transição do estático para o dinâmico ........................................................................... 67 3.9 DIMENSIONANDO O BARRAMENTO PARA ATENDER A DEFLEXÃO DO CONDUTOR SOBRE DIFERENTES CRITÉRIOS .................................................................................................69 3.9.1 Deflexão vertical máxima devido ao próprio peso (repouso) ............................................ 69 3.9.2 Deflexão máxima devido à força dinâmica resultante (sem religamento automático). ..... 71 3.9.3 Deflexão máxima devido a força dinâmica resultante (com religamento automático sem sucesso)..................................................................................................................................... 74 3.10 FORÇAS IMPOSTAS AOS ISOLADORES DE PEDESTAL .................................................... 75 3.10.1 Força estática nos isoladores ......................................................................................... 75 3.10.2 Máxima força dinâmica resultante imposta aos isoladores ............................................. 77 3.11 MOMENTO FLETOR IMPOSTO AO SISTEMA DO BARRAMENTO ...................................... 78 3.12 EFEITO TÉRMICO .................................................................................................................. 80CAPÍTULO 4 - ESTUDO DE CASO ................................................................................................... 81 4.1 DADOS PARA O INÍCIO DE PROJETO. ................................................................................... 81 4.2 ESCOLHA DO TUBO PELA AMPACIDADE (SEM O EFEITO CORONA). ............................... 82 4.3 AMORTECIMENTO ................................................................................................................... 83 4.4 FORÇAS APLICADAS AO BARRAMENTO .............................................................................. 83 4.4.1 Peso do condutor sobre o vão: ......................................................................................... 84 4.4.2 Força do vento aplicada ao vão: ....................................................................................... 84 4.4.3 Força máxima de curto-circuito aplicada ao vão:.............................................................. 84 4.4.4 Força resultante sobre o condutor: ................................................................................... 85 4.4.5 Fatores para o cálculo das forças dinâmicas: ................................................................... 85 4.4.6 Verificando o comprimento do vão em relação ao estresse na fibra do material:............. 86 4.4.7 Verificando o comprimento do vão para a maior deflexão vertical permitida .................... 87 4.4.8 Recalculando os dados para o tubo de 6 in. ..................................................................... 88 4.4.9 Deflexão máxima sobre condições dinâmicas .................................................................. 91 4.4.10 Força resultante nos isoladores: ..................................................................................... 92 4.4.11 Momento fletor ................................................................................................................ 93
  17. 17. 4.5 CONSIDERAÇÕES SOBRE O PROJETO ................................................................................ 93CAPÍTULO 5 - CONCLUSÃO ............................................................................................................ 94 5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ......................................................................... 95REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................................ 96ANEXO A – CÁLCULO DOS FATORES DINÂMICOS ( , E ) .................................................. 98ANEXO B – SUBESTAÇÃO DE 230KV ............................................................................................ 101ANEXO C – CARACTERÍSTICAS DO TUBO CONDUTOR (ALUMÍNO) ......................................... 105ANEXO D – RELATÓRIOS DOS TESTES DOS TUBOS ................................................................. 107
  18. 18. 17CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO O desenvolvimento de um país vem acompanhado do aumento no consumode energia elétrica. Este aumento de carga tem grande repercussão no sistemaelétrico, pois é responsável pelas elevadas correntes nominais e de curto circuitopresentes no sistema. Outra consequência deste aumento de carga é o aumento damalha do sistema elétrico, onde novas usinas, linhas de transmissão e subestações(SE) são necessárias para atender esta nova demanda no consumo. Nas subestações, os barramentos devem estar projetados para suportar umadeterminada corrente nominal e de curto-circuito com valores cada vez maiselevados, tornando-se necessário, então, o emprego de novas soluções. Dentre assoluções que não são tão exploradas no país está a de utilizar o condutor rígido nobarramento da SE. Estes condutores apresentam como uma de suas vantagenspossibilitarem a redução das dimensões da SE, já que apresentam menoresdeflexões que o condutor flexível, permitindo uma redução na altura do barramento euma menor poluição visual (ambiental). Apesar de o condutor rígido ser muito utilizado em boa parte do mundo, tendoampla aplicação na indústria e nas subestações de transmissão e subtransmissão,no Brasil não existe uma ampla literatura sobre o assunto, nem normas que auxiliemem tal tarefa, descrevendo os procedimentos e condições mínimas de projeto paraum dimensionamento otimizado, visando um menor custo e alto desempenho.Levando em consideração este crescente aumento na carga e a necessidade debuscar novas soluções para o problema do dimensionamento do barramento desubestações, buscou-se apresentar neste trabalho um roteiro em português queauxilie no emprego do condutor rígido.
  19. 19. 181.1 OBJETIVOS DO TRABALHO1.1.1 Objetivo principal Apresentar um roteiro para o projeto de dimensionamento do barramento deuma subestação utilizando o condutor rígido.1.1.2 Objetivo secundário• Realizar uma revisão bibliográfica sobre o conteúdo necessário ao desenvolvimento do trabalho;• Debater as vantagens e desvantagens sobre o uso do condutor rígido; e• Realizar um estudo de caso para validação do roteiro apresentado, utilizando uma subestação de 230 kV real.1.2 METODOLOGIA UTILIZADA Para o desenvolvimento do trabalho foi realizada uma ampla pesquisabibliográfica sobre os itens pertencentes ao assunto em apostilas, livros, normas,artigos e monografias, a fim de reunir informações relevantes ao tema. Depois deselecionado os conteúdos relevantes, foram apresentadas as descrições dasprincipais características que influenciam o dimensionamento, bem como dasprincipais forças que atuam sobre o barramento. Após estas descrições procurou-se mostrar as equações necessárias arealização do projeto e as considerações que devem ser feitas para não provocar ocolapso da estrutura do barramento. Procurando simplificar o entendimento,apresentou-se, através de um estudo de caso, o dimensionamento do barramento
  20. 20. 19principal de uma subestação de 230 kV. Para a realização dos cálculos foi utilizadauma rotina desenvolvida no Matlab.1.3 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA Este trabalho está organizado em 5 capítulos: No capítulo 2 estão reunidos todos os conceitos necessários ao entendimentodo trabalho, apresentando informações sobre o condutor rígido e as forças impostasao barramento. O capítulo 3 descreve o roteiro para o dimensionamento do barramento rígido,mostrando as equações e considerações que devem ser feitas para o projeto. Já no capítulo 4 demonstra-se e analisa-se o dimensionamento dobarramento de uma subestação, exemplificando a teoria do capítulo 3, através deum estudo de caso, utilizando dados de uma Subestação de 230 kV real. No capítulo 5 são apresentadas as conclusões do trabalho.
  21. 21. 20CAPÍTULO 2 - REFERENCIAL TEÓRICO O sistema elétrico de potência, que é composto basicamente pela produção,transmissão e distribuição de energia, tem como objetivo fornecer energia elétrica àsvarias cargas existentes com qualidade e confiabilidade. Para que este fornecimentoseja garantido é necessário que haja continuidade no serviço da transmissão. O sistema de transmissão é formado por dois principais elementos, o circuito(linhas, cabos, etc.) que permite a passagem da potência e as subestações quefazem as interconexões destes circuitos (transformando o nível de tensão senecessário) [1]. A transmissão tem três principais funções que são realizadasatravés de diferentes tipos de subestações [1]:• A transmissão de energia elétrica dos geradores ou outros sistemas para o centro de carga;• A interconexão que aumenta a segurança do fornecimento e permite a redução dos custos da geração; e• Fornecimento de energia elétrica para o sistema de distribuição e em alguns casos diretamente ao cliente que está conectado ao sistema. Mas o que é uma subestação? O comitê Internacional de Eletrotécnica (IEC -International Electrotechnical Commission) [2] define a subestação como sendo aparte do sistema de potência, concentrada em um determinado ponto, incluindo osterminais de linha de transmissão, distribuição, os módulos de manobra,encapsulamentos, podendo inclusive incluir os transformadores. Pode-se definir [3]então a subestação como sendo um conjunto de equipamentos usados paracontrolar, modificar, comandar, distribuir e direcionar o fluxo de energia elétrica deum sistema elétrico. Existem diferentes formas de classificar uma subestação. A primeira delas écom relação à função que ela desempenha, podendo ser uma SE de manobra, detransformação, de seccionamento, de distribuição de conversão ou de conversão defreqüência. Uma mesma SE pode apresentar uma ou mais das funções listadas.
  22. 22. 21 Outra forma de classificá-las é quanto ao sistema do qual a subestação fazparte, transmissão, distribuição ou de consumidor. Quanto ao nível de tensãoclassificamos em baixa (até 1 kV), média (entre 1 kV e 66 kV), alta (entre 69 kV e230 kV), extra alta (entre 231 kV e 800 kV) ou ultra alta tensão (acima de 800 kV).Esta classificação é realizada pelo maior nível de tensão encontrado na SE. Assubestações podem estar ao tempo ou abrigadas, classificação quanto à instalação. E por fim, ela é classificada quanto ao tipo de isolamento [3]:• Subestações Isoladas a Ar (AIS – Air Insulated Substation): são subestações onde o meio isolante que separa as partes energizadas entre si e da terra é o ar. Está é a subestação de menor custo, porém o espaço utilizado é maior.• Subestações Isoladas a Gás (GIS – Gas Insulated Substation): são subestações que apresentam um dielétrico gasoso como meio isolante, no caso o hexafluoreto de enxofre (SF6). São denominadas de subestações blindadas, pois, os barramentos e equipamentos possuem envoltório de alumínio e um gás preenchendo os espaços entre a tubulação e os componentes energizados. É indicada para instalações em regiões com elevados custos de terreno ou onde a questão espaço é determinante, por suas características particulares de encapsulamento e reduzidas dimensões. São também indicadas onde às condições ambientais são severas (salinidade, poluição, alto índice de interferência eletromagnética, etc.). No entanto, possui um elevado custo.• Subestações com Isolamento Híbrido – HIS (Hybrid Insulated Substation): são subestações que tem o ar e o gás como meio isolante em pontos específicos, a fim de reduzir a área ocupada. Apresentam um menor custo que as blindadas. No projeto de uma subestação é necessário definir o tipo de isolação que seráusada, pois esta escolha está relacionada com o espaço físico necessário e custo daconstrução. Outro fator importante para o projeto é o arranjo físico da subestação, oseu layout, ou seja, as formas de se conectarem entre si, linhas, transformadores ecargas de uma subestação. Antes de mostrar os tipos de arranjo físico e suasconsiderações é necessário apresentar os esquemas de manobra mais utilizados.
  23. 23. 222.1 ESQUEMAS DE MANOBRA O esquema de manobra de uma subestação apresenta o arranjo elétrico efísico dos equipamentos de manobra e do barramento. Denomina-se arranjo [3] aconfiguração dos equipamentos eletromecânicos que constituem um pátiopertencente a um mesmo nível de tensão, de tal forma que sua operação permitadar à subestação diferentes graus de confiabilidade, segurança ou flexibilidade demanobra, transformação e distribuição de energia. Os esquemas de manobras maisutilizados em Alta Tensão (AT) e Extra Alta Tensão (EAT) são:2.1.1 Barra simples O esquema de barra simples, representado na figura 2.1, possui apenas umbarramento ao qual se conectam os circuitos por meio de um disjuntor. É econômico,simples e fácil de proteger, ocupa pouco espaço e não apresenta muitaspossibilidades de operação incorreta. No entanto, quando há necessidade demanutenção ou reparo na barra, ou de manutenção no disjuntor é precisointerromper o fornecimento de energia. Logo, este esquema não apresentaconfiabilidade, segurança e flexibilidade. Figura 2.1 – Esquema de Manobra Barra Simples. Fonte: [3]
  24. 24. 232.1.2 Barra simples com by-pass O arranjo barra simples com by-pass difere do esquema anterior por possuiruma chave seccionadora (by-pass) que permite a manutenção no disjuntor seminterromper o fornecimento de energia. Este esquema está representado na figura2.2. Figura 2.2 – Esquema de Manobra Barra Simples com by-pass. Fonte: [3]2.1.3 Barra principal e transferência Neste esquema, representado na figura 2.3, utilizam-se duas barras e umdisjuntor reserva. As linhas são normalmente ligadas à barra de operação (principal)e, em caso de manutenção no disjuntor, à barra de transferência. A efetividade doarranjo requer a instalação de um disjuntor especial, o disjuntor de transferência, queé utilizado como reserva para qualquer disjuntor que esteja fora de operação. Comesta configuração não teremos a interrupção de energia em nenhum bay em caso demanutenção no disjuntor. Entende-se por bay [3] o conjunto de equipamentos e oespaço ocupado por eles. Figura 2.3 – Esquema de Manobra Barra Principal e transferência. Fonte: [3]
  25. 25. 242.1.4 Barra dupla O arranjo de barra dupla é uma evolução do arranjo barra principal etransferência, onde os circuitos são divididos entre as duas barras. Possui umamaior flexibilidade e maior segurança quanto às falhas nas barras que o arranjoanterior, pois como a carga está dividida, mesmo que ocorra uma falha em uma dasbarras, parte da subestação continuará operando. No projeto é necessárioconsiderar que as barras devem ter a mesma capacidade e, por sua vez, acapacidade total da subestação [3]. Os esquemas apresentados a seguir são osarranjos recomendados pelos Procedimentos de Rede do Operador Nacional doSistema Elétrico (ONS) para a rede básica (acima de 230 kV).2.1.4.1 Barra dupla a quatro chaves Este é o arranjo utilizado para os barramentos de 230 KV. O esquema debarra dupla a quatro chaves está ilustrado na figura 2.4. Figura 2.4 – Esquema de Manobra Barra Dupla a Quatro Chaves. Fonte: [3]
  26. 26. 252.1.4.2 Disjuntor e meio Neste arranjo (figura 2.5), para cada entrada e saída temos um disjuntor emeio. Este arranjo é mais utilizado no Brasil, nos sistemas de 500 e 765KV, porapresentar alta confiabilidade. Figura 2.5 – Esquema de Manobra Disjuntor e Meio. Fonte: [3]2.2 ARRANJO FÍSICO O arranjo físico [3] é a disposição física dos equipamentos em umainstalação, segundo esquema de manobra pré-determinado e respeitando asdistâncias elétricas e de projeto definidas anteriormente. A diferença presente nosarranjos se dá, principalmente, ao uso de diversos tipos de chaves seccionadoras,aos barramentos, à disponibilidade de área a ser construída e às facilidades demanutenção. Para a seleção do arranjo físico é necessária avaliação de algunsaspectos, tais como:• Definição do arranjo elétrico (esquema de manobra)• Escolha dos equipamentos: os equipamentos de alta tensão, em especial, as seccionadoras, são quem definem as disposições físicas da subestação;• Distâncias mínimas de segurança: são determinadas de acordo com o nível de tensão e nível de isolamento, assim como as condições atmosféricas da área
  27. 27. 26 onde será construída a subestação. Quanto maior o nível de tensão e o isolamento, maior será a distância entre fases e entre fase e terra;• Área disponível para construção• Custos: é necessário fazer comparação de custo de diferentes arranjos físicos para o mesmo arranjo elétrico, assim como deve ser levado em consideração o custo do terreno que será utilizado para a construção da subestação.• Facilidade para a manutenção: os arranjos físicos mais altos apresentam maior dificuldade para manutenção por trabalharem com dois níveis de barras (figura 2.6). Para executar a manutenção em uma das barras é necessário desligar a outra, perdendo a flexibilidade da barra dupla.Figura 2.6 – Arranjo Físico elevado para uma Entrada de Linha no esquema de manobra barraprincipal e transferência. Fonte: [3]• Facilidade para expansão• Padrões da concessionária: o padrão utilizado pelas concessionárias na maioria de suas subestações, também é um fator importante para a escolha do tipo de arranjo que será utilizado em cada uma.• Impacto Ambiental: a estética de um arranjo físico é considerada impacto ambiental. Quanto menos níveis de conexão são projetados e mais baixos são os níveis das barras, melhor é a aparência de uma subestação. Realizada a análise dos aspectos citados, é necessário fazer a distribuiçãodos equipamentos pertencentes ao bay. A figura 2.7 ilustra um bay de umasubestação de 230 kV com o esquema de manobra de barra dupla a quatro chaves.
  28. 28. 27Nela estão indicadas as distâncias de projeto, assim como todos os equipamentospertencentes a ele.Figura 2.7 – Bay de entrada de linha de uma subestação de 230 kV com esquema de manobra barradupla a quatro chaves padrão Chesf. Fonte: [3]
  29. 29. 282.3 BARRAMENTO O barramento é um componente importante da subestação, pois ele éresponsável por fazer a interligação dos circuitos que entram na subestação(barramento principal), assim como a interligação dos equipamentos pertencentes aeste circuito. Sua estrutura deve ser cuidadosamente projeta para suportar osmáximos esforços que podem ser impostos ao condutor e aos seus suportes devidoàs correntes de curto-circuito e aos ventos fortes. Os condutores do barramento podem ser rígidos (tubos de alumínio) ouflexíveis (cabos). Os condutores rígidos apresentam como vantagens a simplicidade,fácil visualização das configurações de operação, disposição do arranjo com apenasdois níveis (figura 2.8), facilidade no acesso para o transformador ou pátio dosequipamentos para manutenção, facilidade no uso de chaves pantográficas ou semi-pantográficas, facilidade de ampliação da subestação, facilidade na verificação dosefeitos das forças eletrodinâmicas, rápida construção e pouca área de aterramentopara a instalação. Figura 2.8 – Altura da subestação de acordo com o tipo de condutor utilizado. Fonte [1]
  30. 30. 29 Algumas desvantagens são encontradas na dificuldade temporária para by-pass dos disjuntores em ambos os lados da subestação, na possibilidade deressonância mecânica entre a estrutura de tubo e a frequência de rajada de vento(que pode ser evitada utilizando cabos amortecedores) e a dificuldade paraviabilidade dos tubos e dos suportes dos materiais em alguns países. Para níveis detensão inferior a 500 kV a aplicação de condutores rígidos nos dá uma soluçãosimples e econômica, contudo pra tensão superior a essa, o uso de condutoresrígidos se torna uma solução de difícil montagem. Os condutores flexíveis, por sua vez, apresentam como vantagens o uso dosmesmos materiais empregados em linhas aéreas e o uso de condutores múltiploscom diâmetro apropriado para reduzir o efeito corona nas extremidades emsubestações de EAT. No entanto, apresentam arranjos complexos pra esquemassimples, dificuldade de verificação da resistência das forças eletrodinâmicas,utilização de barramentos superpostos, considerável impacto ambiental devido aostrês níveis de condutores na subestação, custo de construção considerável,dificuldade de empregar chaves pantográficas e semi-pantográficas e dificuldade naampliação da subestação. A escolha da melhor solução é influenciada pela viabilidade de materiais nopaís e pela experiência de diferentes companhias. No Brasil, há uma preferência nouso do condutor flexível, mas encontramos em algumas subestações o condutorrígido sendo utilizado. É comum em um projeto o uso dos dois tipos de condutores,onde várias combinações podem ser realizadas. Uma delas é o uso do condutorrígido no barramento principal e na interligação dos equipamentos, e o flexível nasconexões entre os equipamentos e a linha que entra na SE. A figura 2.9 ilustra estasituação. Figura 2.9 – Arranjo físico do esquema de manobra disjuntor e meio. Fonte: [4]
  31. 31. 302.3.1 Condutor rígido: material e características Na fabricação do condutor rígido utiliza-se o cobre ou as ligas de alumínio.Dentre estes dois materiais o alumínio é o material mais empregado, em AT e EAT,por apresentar menor peso que o cobre e necessitar de pouca manutenção.Apresenta ainda, uma maior resistência à corrosão e uma maior temperatura deoperação. O formato utilizado nas subestações está apresentado na figura 2.10. Apreferência por um tubo oco de seção circular deve-se ao efeito pelicular (skin) e aoefeito corona. Figura 2.10 – Tubo de cobre e de alumínio. Fonte: Informativo da ALCOMET. Em comparação a outros formatos, o tubular apresenta uma melhordistribuição da corrente, porém possui uma área de superfície menor paradissipação de calor. No projeto do barramento tubular estas duas característicasdevem ser balanceadas.2.3.2 Ampacidade A ampacidade é a capacidade de condução de corrente do condutor. Estacapacidade é normalmente determinada pela máxima temperatura em que ocondutor é permitido operar. A resistividade dos metais condutores varia com atemperatura, assim, a elevação de temperatura provoca um aumento na resistênciados condutores e provoca o aumento das perdas por efeito Joule. Num barramento a
  32. 32. 31capacidade de condução de corrente será dada pelo equilíbrio entre o calor geradopelas perdas e o calor dissipado por irradiação. A temperatura máxima de operação contínua [5] em barras de cobre e deligas de alumino é de 90° sem perda considerada da resistência mecânica. Em Ccondições de emergência podem ser operadas a 100° No entanto, o tubo de cobre C.pode sofrer excessiva oxidação se operado acima de 80° C. A seção reta do condutor tem uma grande importância na ampacidade dobarramento, principalmente no caso de corrente alternada. Devido ao efeito pelicular(skin) a densidade de corrente não é uniforme ao longo do condutor, mas seconcentra principalmente na periferia. Dessa forma o material condutor na partecentral não é tão efetivo quanto o material da periferia. Daí a vantagem de utilizarcondutores ocos ou tubulares e perfis, posto que esses tenham o material condutorcolocado na região onde a sua utilização é mais efetiva. A preferência está no usodos tubulares de seção circular, já que os perfis apresentam pontas que intensificamo efeito corona no condutor.2.3.3 Efeito corona e rádio interferência O efeito corona aparece na superfície das ferragens, dos isoladores e doscondutores, quando o valor do gradiente de potencial aí existente excede o valor dogradiente crítico disruptivo do ar. Quando dois eletrodos, imersos no ar, possuemuma diferença de tensão e esta diferença é aumentada progressivamente, verifica-se a ionização do ar, ou seja, quando o campo é forte o suficiente é iniciada aformação de partículas carregadas, através de choques entre os elétrons livres queexistem na atmosfera. Aumentando-se mais a tensão aplicada, ocorre o efeito corona, ou seja,quando o campo em torno do eletrodo de menor raio de curvatura se torna maiorque um determinado valor crítico, tem inicio as descargas nas primeiras camadas dear próximas do eletrodo [6]. O efeito corona é observado melhor no escuro, quandonota-se a formação de um eflúvio luminoso (figura 2.11), acompanhado de um ruídosibilante e de desprendimento de ozônio.
  33. 33. 32 Figura 2.1 – Efeito corona. Fonte: Brasitest. 2.11 Efeito corona. Se as vibrações emitidas forem da ordem de kHz, produzirão áudio ruído; se áudio-ruído;forem da ordem de MHz produzirão rádio ruído; e, se forem da ordem de centenas produzirão rádio do; , dio-rude MHz produzirão o chamado tele-ruído [6]. A medida dessas interferências tele-ruído [6]. interferênciasdenomina-sedenomina se Rádio Interferência (RI). Para projetos de barramento rígido de ate 115 InterferênciakV o efeito corona não é considerado. No entanto, é necessário que o engenheiroresponsável pelo projeto saiba que a rádio interferência existe em qualquer nível deresponsável rádiotensão.tensão. O problema de projeto encontrado é o de selecionar um condutor que nãoapresente efeito corona durante tempo bom em tensão, altitude e temperatura deoperação, masoperação mas possa ocorrer, de forma minimizada, em tempo úmido, chuvoso ou ocorrer,em condições de contaminação [5]. [5] Para uma operação sem corona, o gradiente máximo de tensão d superfície dado condutor do barramento (Em) deve ser menor que o admissível (Eo). Podemos dodeterminar o gradiente máximo de tensão da superfície do condutor (Em) por quatro dafatores básicos:fatores• Diâmetro do condutor ou forma;• Distância para a terra;• Distância entre fase; Distância• Voltagem aplicada. Tubo com seção circular geralmente apresenta melhor desempenho, pois sua desempenho,forma arredondada isenta de pontos aguçados e protusões, reduz o gradiente de arredondada, protusões, gradientesuperfície (kV/cm) [7]. Uma superfície lisa é importante se operar próximo do [7].gradiente de tensão admissível d superfície, já que a ausência de rugosidade de superfície,também reduz o gradiente de superfície superfície.
  34. 34. 332.3.4 Ressonância mecânica Ressonância mecânica ou simplesmente ressonância é o fenômeno físico emque se registra a transferência de energia de um sistema oscilante para outro,quando a frequência do primeiro coincide com a frequência natural do segundo. Noprojeto devem ser considerados dois agentes que podem causar vibrações: acorrente alternada passando pelo tubo e o vento (figura 2.12). Para o barramentoesta vibração não é desejável, pois pode causar estresse dinâmico e tensões naestrutura que podem vir a ocasionar fadiga no material e sua destruição. Figura 2.12 – Fluxo laminar do vento passando por um tubo. Segundo [8], para reduzir essas vibrações na estrutura do barramento,devemos diminuir as respostas à excitação aplicada ao barramento através doaumento de sua massa, de sua rigidez, ou de seu amortecimento. Nodimensionamento adotamos o amortecimento como a opção mais viável. Existemduas formas para amortecer o tubo, a primeira é através do uso de conectoresamortecedores (aumento dos suportes, que implica na redução do vão) e a segundaatravés de um cabo condutor. Recomenda-se o uso do mesmo material do condutorpara evitar corrosão, no caso um cabo de Alumínio com Alma de Aço (CAA). Normalmente, utiliza-se apenas um cabo por tubo (figura 2.13) em tubos comdiâmetro externo entre 80mm e 120mm. Para diâmetro maior que 120mmrecomenda-se o uso de um cabo em cada extremidade do condutor (figura 2.14),com o comprimento de 2/3 do tubo [9]. O guia do Instituto de EngenheirosEletricistas e Eletrônicos (IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineer) [5]recomenda que o cabo tenha de 10% a 33% do peso do tubo.
  35. 35. 34 ℓ ℓ - 100 mm Figura 2.13 – Amortecimento do condutor rígido com um cabo. Fonte [9] ℓ 2 3 ℓ 2 3 ℓ Figura 2.14 – Amortecimento do condutor rígido com dois cabos. Fonte: [9] A tabela 2.1 apresenta alguns valores para o cabo de amortecimento,relacionando o diâmetro do tubo e o vão máximo. Tabela 2.1 – Cabos amortecedores recomendados. Diâmetro do tubo (mm) Vão máximo sem amortecimento (m) Cabo de alumínio (mm2) 100 4,5 240 120 5,5 300 160 7,5 500 200 9,5 625 250 12,0 625 Fonte: [10] A figura 2.15 apresenta um tipo de conector (tampão) usado na extremidadedo tubo para fixar o cabo. Seu formato ajuda a redução do efeito corona. Figura 2.15 – Conector para fixação do cabo dentro do condutor rígido. Fonte: catálogo Yonggu.
  36. 36. 352.4 ISOLADORES, ESTRUTURAS DE SUPORTE E FERRAGENS. Na construção do barramento é necessário o uso de componentes quepermitam a isolação do condutor a terra e que suportem os esforços mecânicosimpostos devido às correntes de curto circuito, ventos e intempéries. Taiscomponentes são denominados isoladores, que junto às estruturas de suportesustentam os condutores do barramento. Estas estruturas podem ser construídasem concreto ou metal (aço galvanizado) e são utilizadas para dar altura aoscondutores, aumentando a separação entre a fase e a terra. Por fim, os acessórios eas ferragens compõem um conjunto de dispositivos metálicos utilizados para afixação dos condutores aos suportes. A escolha do sistema de suporte que será utilizado tem um grande impacto naseleção do próprio condutor, na escolha do tipo de amortecimento e na força queserá imposta sobre os isoladores de pedestal. As três principais condições utilizadas(modelos fundamentais) serão definidas a seguir.2.4.1 Condutor com as extremidades apoiadas. O sistema de suporte ilustrado na figura 2.16 é usado na maioria dos casosonde os extremos são livremente suportados. Esta condição permite movimentoslaterais nas pontas do tubo que, caso contrário, resultaria em um torque sobre o topodos isoladores de pedestal se eles estivessem fixados. Os conectores sãonormalmente projetados de forma que permitam o movimento vertical, usualmentena região de ±5° para acompanhar os pequenos desvi os nos níveis da fundação e ,pesos das estruturas de suporte. ℓ Figura 2.16 – Condutor com as extremidades livremente apoiadas. Fonte: [9]
  37. 37. 362.4.2 Condutor com uma extremidade apoiada e a outra fixa O sistema de suporte ilustrado na figura 2.17 só deve ser usado nos casosem que o comprimento do vão (ℓ), distância de um suporte a outro, é tão curta que ovalor do torque e da força resultante por unidade de comprimento não excedam osvalores nominais do isolador. Neste sistema um lado do tubo é fixo (engastado)enquanto o outro está livre para mover-se permitindo a expansão linear. Osconectores de fixação não permitem o movimento vertical. ℓ ℓ OU F S Figura 2.17 – Condutor com uma extremidade apoiada e a outra fixa. Fonte: [9]2.4.3 Condutor com as extremidades fixas (biengastada). O apoio apresentado na figura 2.18 também só deve ser usado quando o vão(ℓ) for de tamanho reduzido. Esta configuração geralmente não deve ser aplicada emsubestações de AT e EAT, onde longos tubos são normalmente utilizados devido àsdistâncias de projeto. No entanto, devem existir algumas aplicações nas quaispequenos tubos são necessários para fazer interconexões, e as forças impostas aoisolador de pedestal, como resultado da expansão linear, é pequena. ℓ ℓ OU F F Figura 2.18 – Condutor com as extremidades fixas. Fonte: [9]
  38. 38. 372.4.4 Barramento com condutor contínuo. Na prática, o barramento das subestações não é formado por um único vão,mas sim por uma série deles, lado a lado. Este barramento pode conter seçõesformadas por vários tubos de tamanho (ℓ) unidos por um conector de expansão, oupor um condutor contínuo suportado ou fixado no isolador de pedestal. A figura 2.19 apresenta um condutor tubular contínuo com a extensão de doisvãos, simplesmente suportado nas extremidades e fixo no centro. Este arranjo ébastante aceitável, pois a força de torção no ponto fixo F se cancela. Qualquerexpansão linear é permitida pelas extremidades apoiada em S. ℓ ℓ S F S Figura 2.19 – Dois vãos (apoiado – fixo – apoiado). Fonte: [9] A figura 2.20 mostra um condutor contínuo com a extensão de três ou maisvãos. Este arranjo deve ser empregado apenas em casos onde os dois suportesfixos (F) são próximos o suficiente para que as forças no tubo contínuo impostas aossuportes, como resultado da expansão linear, sejam baixas. ℓ ℓ ℓ S F F S Figura 2.20 – Três ou mais vãos (apoiado – fixo – fixo – apoiado). Fonte: [9] O arranjo apresentado na figura 2.21 é provavelmente o mais seguro dos trêsarranjos ilustrados nesta seção. Não há restrições, desde que à expansão linear e aforça de torção estejam envolvidas.
  39. 39. 38 ℓ ℓ ℓ S S S S Figura 2.21 – Dois ou mais vãos com suporte simples. Fonte: [9]2.4.5 Juntas soldadas e acabamento Os maiores tubos de alumínio disponíveis no mercado, às vezes, não sãosuficientes para atender a determinado vão do barramento. Neste caso, é aceitável aunião de dois ou mais condutores rígidos através de soldas, para que cheguem aotamanho desejado. A solda do alumínio é muito usada no caso de barramentostubulares. O alumínio é cortado de modo a produzir um chanfro com ângulo de 45° eas duas peças são limpas para remover óxido de alumínio e resíduos de óleo. Aremoção do óxido de alumínio se faz necessária, pois o alumínio funde a umatemperatura mais baixa do que o óxido de alumínio, e assim, qualquer resíduo deóxido impedirá a penetração adequada do material fundido no processo de solda.Depois da limpeza, a região de solda é protegida com um jato de gás argônio e asolda elétrica é feita usando-se fios de liga de alumínio especiais, oferecendo umconjunto que é mecânica e eletricamente aceitável [11]. É muito importante, seguiras recomendações do fabricante do tubo com relação à haste de enchimento e asetapas meticulosas de soldagem. Um acúmulo do material utilizado na solda daordem de 1,0 – 2,0mm melhoram significativamente a força mecânica na junção enão cria efeito corona, considerando que todas as pontas sejam removidas.2.5 FORÇAS APLICADAS AO BARRAMENTO As forças aplicadas ao condutor estão ilustradas na figura 2.22. A forçaresultante é composta pelo peso total do tubo (PT), força do vento e a força de curto-circuito.
  40. 40. 39 FV FCC2 PC Força PT Resultante (FR) PA Figura 2.22 – Forças aplicadas ao condutor. Fonte: [9]2.5.1 Peso total do condutor A força gravitacional imposta ao condutor é responsável por sua deflexãovertical. Esta força consiste no peso do condutor (PC) e no peso do cabo (PA)utilizado para amortecer o tubo.2.5.2 Ação do vento Com o aumento da velocidade do vento, a força imposta ao condutor torna-seum componente importante para o cálculo da força resultante, pois as estruturas desuporte do barramento devem ser capazes de resistir a essa força. Esta velocidadeaumenta de forma logarítmica com a altura e, para o dimensionamento correto,devemos calculá-la apropriadamente. Para isso algumas considerações devem serfeitas [9]:• A velocidade do vento utilizada é a básica (Vo) para uma dada altura (z) sobre o solo.• Esta velocidade deve ser obtida através da isopletas dos ventos da região ou país onde, será realizado o projeto (figura 2.23). Este valor (Vo) deve ser ajustado para:
  41. 41. 40 V0 = em m/s V0 = máxima velocidade média medida sobre 3 s, que pode ser excedida em média uma vez em 50 anos, a 10 m sobre o nível do terreno em lugar aberto e plano. Figura 2.23 – Isopletas dos ventos. Fonte: [12]− Um tempo médio de ocorrência de 50 ou 100 anos;− A rugosidade do terreno, que define as características das irregularidades de superfície de uma determinada área, que surge a partir de elementos naturais ou construídos, é criada na superfície afetando o grau de turbulência e a variação da velocidade com a altura do vento que passa sobre a área. A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) [12] apresenta a seguinte definição para as categorias de terreno: Categoria I: Superfícies lisas de grandes dimensões, com mais de 5 km de extensão, medida na direção e sentido do vento incidente. Exemplos: mar calmo (3); lagos e rios; pântanos sem vegetação. Categoria II: Terrenos abertos em nível ou aproximadamente em nível, com poucos obstáculos isolados, tais como árvores e edificações baixas. Exemplos: zonas costeiras planas; pântanos com vegetação rala; campos de
  42. 42. 41 aviação; pradarias e charnecas; fazendas sem sebes ou muros. A cota média do topo dos obstáculos é considerada inferior ou igual a 1,0 m. Categoria III: Terrenos planos ou ondulados com obstáculos, tais como sebes e muros, poucos quebra-ventos de árvores, edificações baixas e esparsas. Exemplos: granjas e casas de campo, com exceção das partes com matos; fazendas com sebes e/ou muros; subúrbios a considerável distância do centro, com casas baixas e esparsas. A cota média do topo dos obstáculos é considerada igual a 3,0 m. Categoria IV: Terrenos cobertos por obstáculos numerosos e pouco espaçados, em zona florestal, industrial ou urbanizados. Exemplos: zonas de parques e bosques com muitas árvores; cidades pequenas e seus arredores; subúrbios densamente construídos de grandes cidades; áreas industriais plena ou parcialmente desenvolvidas. A cota média do topo dos obstáculos é considerada igual a 10 m. Esta categoria também inclui zonas com obstáculos maiores e que ainda não possam ser consideradas na categoria V. Categoria V: Terrenos cobertos por obstáculos numerosos, grandes, altos e pouco espaçados. Exemplos: florestas com árvores altas, de copas isoladas; centros de grandes cidades; complexos industriais bem desenvolvidos. A cota média do topo dos obstáculos é considerada igual ou superior a 25 m.− Os efeitos locais sobre a velocidade do vento. Um número de aspectos geográficos (fator S1=1,00) deve ser considerado nas imediações em que a subestação será construída.− A altura sobre o solo (z)− A classe da estrutura ou componente [12]: Classe A: Todas as unidades de vedação, seus elementos de fixação e peças individuais de estruturas sem vedação. Toda edificação na qual a maior dimensão horizontal ou vertical não exceda 20 m. Classe B: Toda edificação ou parte de edificação para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal esteja entre 20 m e 50 m. Classe C: Toda edificação ou parte de edificação para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal exceda 50 m.
  43. 43. 42 Depois realizadas as considerações, devemos calcular a força que o ventoaplica sobre o barramento. O fator (tabela 2.2) considera o efeito combinado darugosidade do terreno, da variação da velocidade do vento com a altura acima doterreno e das dimensões da edificação ou parte da edificação em consideração [12]. Tabela 2.2 – Valores de . Categoria Z I II III IV V(m) Classe Classe Classe Classe Classe A B C A B C A B C A B C A B C≤5 1,06 1,04 1,01 0,94 0,92 0,89 0,88 0,86 0,82 0,79 0,76 0,73 0,74 0,72 0,6710 1,10 1,09 1,06 1,00 0,98 0,95 0,94 0,92 0,88 0,86 0,83 0,80 0,74 0,72 0,6715 1,13 1,12 1,09 1,04 1,02 0,99 0,98 0,96 0,93 0,90 0,88 0,84 0,79 0,76 0,7220 1,15 1,14 1,12 1,06 1,04 1,02 1,01 0,99 0,96 0,93 0,91 0,88 0,82 0,80 0,7630 1,17 1,17 1,15 1,10 1,08 1,06 1,05 1,03 1,00 0,98 0,96 0,93 0,87 0,85 0,8240 1,20 1,19 1,17 1,13 1,11 1,09 1,08 1,06 1,04 1,01 0,99 0,96 0,91 0,89 0,8650 1,21 1,21 1,19 1,15 1,13 1,12 1,10 1,09 1,06 1,04 1,02 0,99 0,94 0,93 0,8960 1,22 1,22 1,21 1,16 1,15 1,14 1,12 1,11 1,09 1,07 1,04 1,02 0,97 0,95 0,9280 1,25 1,24 1,23 1,19 1,18 1,17 1,16 1,14 1,12 1,10 1,08 1,06 1,01 1,00 0,97100 1,26 1,26 1,25 1,22 1,21 1,20 1,18 1,17 1,15 1,13 1,11 1,09 1,05 1,03 1,01120 1,28 1,28 1,27 1,24 1,23 1,22 1,20 1,20 1,18 1,16 1,14 1,12 1,07 1,06 1,04140 1,29 1,29 1,28 1,25 1,24 1,24 1,22 1,22 1,20 1,18 1,16 1,14 1,10 1,09 1,07160 1,30 1,30 1,29 1,27 1,26 1,25 1,24 1,23 1,22 1,20 1,18 1,16 1,12 1,11 1,10180 1,31 1,31 1,31 1,28 1,27 1,27 1,26 1,25 1,23 1,22 1,20 1,18 1,14 1,14 1,12200 1,32 1,32 1,32 1,29 1,28 1,28 1,27 1,26 1,25 1,23 1,21 1,20 1,16 1,16 1,14250 1,34 1,34 1,33 1,31 1,31 1,31 1,30 1,29 1,28 1,27 1,25 1,23 1,20 1,20 1,18300 - - - 1,34 1,33 1,33 1,32 1,32 1,31 1,29 1,27 1,26 1,23 1,23 1,22350 - - - - - - 1,34 1,34 1,33 1,32 1,30 1,29 1,26 1,26 1,26400 - - - - - - - - - 1,34 1,32 1,32 1,29 1,29 1,29420 - - - - - - - - - 1,35 1,35 1,33 1,30 1,30 1,30450 - - - - - - - - - - - - 1,32 1,32 1,32500 - - - - - - - - - - - - 1,34 1,34 1,34 Fonte: [12] No capítulo 3, seção 3.4.2, será apresentada as equações e demaisconsiderações para o cálculo da força aplicada ao barramento devida á ação dovento.2.5.3 Curto-circuito O curto-circuito é um caminho de baixa impedância entre dois pontos comníveis de tensões diferentes. As correntes geradas são de elevada intensidade, emgeral 10 vezes superior à corrente nominal do circuito, que surgem devido a umcontato ou arco entre duas partes condutoras. Este contato pode ser direto (metálico
  44. 44. 43ou franco) ou indireto (através de um arco voltaico). Devido às elevadas correntes,surgem esforços mecânicos (efeitos dinâmico) entre os condutores e o seuaquecimento (efeitos térmicos). Estes esforços mecânicos devem ser suportados pelos condutores e seussuportes, enquanto os efeitos térmicos devem ser evitados com a atuação daproteção. Mesmo com a atuação da proteção, os condutores devem ser capazes deresistir aos efeitos térmicos por um curto intervalo de tempo (tempo de atuação daproteção e do disjuntor). Por isso, o dimensionamento do barramento precisaconsiderar os maiores valores das correntes de curto-circuito em seu cálculo.2.5.3.1 Efeito mecânico Condutores elétricos conduzindo corrente exercem uma força de atração ourepulsão entre si. Com o aumento repentino desta corrente (curto-circuito), estasforças se intensificam e caso os condutores não sejam adequadamente suportados,podem sofrer deformações e tocarem-se ou até mesmo romper-se. Para evitar issoos barramentos devem ser dimensionados para suportar os esforços produzidospela corrente de curto-circuito [13] e [14] O catálogo de um fabricante de equipamentos elétricos [14] apresenta os doisprincípios que regem os efeitos mecânicos de interesse ao dimensionamento debarramentos, são eles:• Condutores paralelos imersos em campo magnético e percorridos por correntes ficam submetidos a forças diretamente proporcionais ao produto das correntes e inversamente proporcionais à distância entre eles. A figura 2.24 mostra a distribuição da força. Figura 2.24 –: Forças impostas aos condutores pela passagem da corrente elétrica. Fonte: [13].
  45. 45. 44• No ponto de contato entre dois condutores em que haja mudança na direção do percurso da corrente, surge uma força de repulsão que tende a afastar as duas peças e que é proporcional à intensidade da corrente e inversamente proporcional à distância entre eles. Depois de realizado o cálculo destas forças, podemos dimensionar a seçãodo condutor através de dois critérios. No primeiro caso, o material deverá trabalharno regime elástico, em que não há deformação permanente. No segundo, o materialpoderá trabalhar no regime plástico, permitindo-se uma pequena deformaçãopermanente que, por razões estéticas, não deve ser perceptível a olho nu – essadeformação deverá ser de, no máximo, 0,2% (figura 2.25). Esta possibilidade de nãorestringir o tipo de estresse imposto ao material possibilita uma melhor utilização eprojetos mais econômicos. A figura 2.26 ilustra estes tipos de deformação nomaterial. Figura 2.25 – Comportamento de uma peça metálica. Fonte: [11] Figura 2.26 – Deformação elástica e plástica de um material. Fonte: [14]
  46. 46. 452.5.3.2 Efeito térmico Com a passagem das elevadas correntes de curto-circuito o condutor aquecee acaba sofrendo uma expansão longitudinal. Esta dilatação provoca o surgimentode esforços nos isoladores e pode provocar a deformação do condutor, adeformação do isolador ou até mesmo a ruptura. O esforço que surge devido àdilatação pode ser calculado igualando-se o aumento de comprimento do condutordevido à elevação de temperatura com o alongamento que é sofrido por um corpometálico sob a ação de força de tração. Os esforços no barramento aparecem noisolador e, dependendo do comprimento do mesmo, o momento na base pode serbastante elevado. Para evitar esforços exagerados pode-se usar um suportedeslizante no barramento, assim um lado está fixo e o outro desliza sobre o isolador.A continuidade do isolamento é garantida através de elementos flexíveis, tais comocordoalhas ou conectores de expansão. As figuras 2.27 e 2.28 mostram alguns tiposde conectores usados nos barramentos. Figura 2.27 – Conector de expansão. Fonte: catálogo da Mcwade Figura 2.28 – Conector de sustentação/apoio. Fonte: catálogo da Mcwade.
  47. 47. 462.5.3.3 Considerações para o cálculo da força durante falta Os projetos de novas subestações, hoje, exigem uma maior compactação(menor separação entre fases) combinada com o aumento dos níveis de curto-circuito, que demandam um uma maior integridade dos componentes dassubestações. Quando se dimensiona um componente, as seguintes medidasmecânicas são imperativas para o bom funcionamento durante curto-circuito:• Deflexão máxima do tubo condutor que pode resultar em uma deformação permanente.• Forças transferidas aos conectores e acessórios.• Carregamento dinâmico que resulta em momento fletor máximo na base dos isoladores de suporte e na estrutura de sustentação.• Efeitos de torque que pode resultar em falha, normalmente no topo dos isoladores de porcelana. Para condutores rígidos tubulares o método e as equações, para o cálculodos estresses são lineares e baseiam-se nas seguintes hipóteses:• A distância entre os centros dos condutores deve ser muito menor que seu comprimento, para que possa ser considerado com o comprimento infinito.• O diâmetro do condutor e a deflexão durante oscilações são muito menores que a distância entre os centros dos condutores, logo eles podem ser considerados linhas paralelas.• O curto-circuito ocorre longe dos geradores.• O curto-circuito ocorre simultaneamente para todas as fases.• A estrutura de suporte do condutor é rígida, implicando em deflexão zero sobre qualquer força aplicada.
  48. 48. 47CAPÍTULO 3 - DIMENSIONAMENTO DO BARRAMENTO Neste capítulo serão apresentadas as etapas para o dimensionamento dobarramento com condutor rígido, a teoria abordada no capítulo anterior será agoradiscutida matematicamente. Este roteiro é aplicado à subestações abrigadas ou aotempo, com isolamento a ar (AIS) e corrente alternada. O problema do projetoconsiderado neste trabalho é a seleção dos componentes estruturais e suaaplicação. Visando a segurança, confiabilidade, e economia no projeto, oscomponentes e suas aplicações devem ser otimizados para satisfazer estascondições. A figura 3.1 [5] mostra um diagrama com uma seqüência de etapas quedevem ser seguidas para o dimensionamento. Este processo é iterativo, devido aosvários componentes disponíveis na estrutura do barramento e às possibilidades decombinação. A iteração é relacionada à ampacidade do condutor, à limitação daradio interferência, eliminação das vibrações no condutor e à integridade estrutural.Neste esquema é preciso considerar diversos parâmetros que serão listados aseguir:• Capacidade de condução de corrente - ampacidade;• Corrente de curto circuito máxima esperada;• Tensão máxima de operação;• Velocidade máxima do vento esperada;• Altitude do pátio da subestação; e• Arranjos básicos da subestação. Neste trabalho, as considerações sísmicas não serão abordadas devido a suacomplexidade. Caso haja a necessidade, o guia do IEEE [5] sugere a norma IEEEStd 693-1997, onde é possível obter informações sobre o assunto. O mesmo guiatambém oferece informações a respeito da força aplicada ao tubo devido aoaumento de sua massa com o acumulo de gelo (baixas temperaturas). Esta situaçãotambém não será abordada neste trabalho, já que, em quase todo o país, não seaplica.
  49. 49. 48 Estabelecer as condições de projeto e arranjo do barramento. Selecionar a forma do condutor do barramento e seu material. Estabelecer a menor dimensão do condutor por ampacidade e efeito corona. Selecionar a dimensão do condutor para teste. Estabelecer necessidade para amortecimento e selecionar o tipo e a dimensão do cabo. Calcular a força da corrente Calcular a força da gravidade Calcular a força do vento no de curto circuito no condutor no condutor (P). condutor (FV). (FCC2). Calcular a força vetorial total sobre o condutor (FR). Calcular o comprimento Calcular o comprimento máximo do condutor baseado máximo do condutor baseado na deflexão (ℓD). no estresse do material (ℓS). Comprimento máximo permitido ℓA=ℓD ou ℓS, o que for menor. O comprimento de todos os SIM vãos no arranjo é menor que ℓA? NÃO ou Calcular a carga máxima no topo de cada isolador de pedestal ( ( ) )Selecione um condutor com Determinar o momento fletor Reduzir o comprimento do Aumentar o comprimento do suporta o isolador ( ) dimensões maiores ou/e na base da estrutura que nova forma ou/e material. vão condutor Determinar o local para os conectores de expansão Projeto satisfatório. Figura 3.1 – Etapas para o projeto de barramento rígido horizontal. Fonte: [5]
  50. 50. 49 A primeira etapa do projeto é definir todos os parâmetros necessários aodimensionamento, é necessário saber a corrente nominal, de curto-circuito, alocalização da subestação e as condições meteorológicas da região. Estas sãoalgumas das informações que precisamos ter para o início do projeto. É precisodefinir, também, o arranjo do barramento, pois é necessário saber qual o sistema desuporte utilizado. O material proposto neste trabalho, para o dimensionamento, é oalumínio, pelos motivos apresentados no capítulo 2.3.1 CAPACIDADE DE CONDUÇÃO DE CORRENTE (AMPACIDADE) – TABELAS Como foi explicado no capítulo 2, seção 2.3.1, o condutor utilizado é dealumínio e tem seção transversal circular. Estes condutores tubulares sãofabricados seguindo normas, dentre as quais podemos citar: a ABNT, a NEMA(National Electrical Manufacturers Association), Instituto Nacional Americano dePadronização (ANSI - American National Standards Institute), Instituto dePadronização Britânico (BSI - British Standards Institution) e Instituto Alemão paraNormatização (DIN - Deutsches Institut für Normung). A tabela 3.1 foi baseado na norma DIN e apresenta algumas informações arespeito do condutor. Nesta tabela o item mais importante é a capacidade decondução de corrente para uma determinada dimensão de tubo. Para a primeiratentativa em selecionar o tubo correto, devemos escolher aquele que apresenta ovalor da ampacidade esperada. Além da capacidade de condução de corrente serão utilizados nos cálculos osvalores de diâmetro (dbo) e espessura (tw) do tubo. Os valores da espessura daparede do tubo em negrito são os preferidos pela IEC. A tabela 3.2 expõeinformações a respeito das propriedades elétricas e mecânicas de algumas ligas dealumínio disponíveis para utilizarmos no barramento.
  51. 51. 50 Tabela 3.1 – Características dos condutores tubulares de alumínio baseado na norma DIN.Diâmetro Espessura Área da Massa Intensidade de Intensidade de externo da parede Seção por corrente para corrente para (dbo) (tw) circular metro E-AIMgSiO,5F22 E-AIMgSiO,5F25 2 (mm) (mm) (mm ) (Kg) 65° (A) 85° (A) 65° (A) 85° (A) 63 4 741 2,00 1150 1530 1110 1480 5 911 2,46 1280 1700 1240 1640 6 1074 2,90 1380 1830 1330 1770 8 1382 3,73 1560 2070 1510 2000 80 4 955 2,58 1400 1860 1350 1800 5 1178 3,18 1560 2070 1510 2000 6 1395 3,77 1690 2240 1630 2160 8 1810 4,89 1920 2550 1850 2460 10 2199 5,94 2110 2790 2040 2690 100 4 1206 3,26 1690 2240 1630 2160 5 1492 4,03 1880 2490 1820 2400 6 1772 4,78 2040 2710 1970 2620 8 2312 6,24 2320 3070 2240 2960 10 2827 7,63 2540 3360 2450 3240 120 4 1458 3,94 1950 2580 1880 2490 5 1806 4,88 2170 2880 2090 2780 6 2149 5,80 2370 3140 2290 3030 8 2815 7,60 2700 3580 2610 3460 10 3456 9,33 2960 3920 2860 3790 12 4072 10,99 3130 4150 3020 4010 160 4 1960 5,29 2520 3330 2430 3220 5 2435 6,57 2790 3700 2690 3570 6 2903 7,84 3060 4050 2950 3910 7 3365 9,08 3270 4330 3160 4180 8 3820 10,31 3490 4630 3370 4470 10 4712 12,72 3830 5070 3700 4900 12 5579 15,06 4060 5380 3920 5200 200 4 2463 6,65 3030 4010 2930 3870 5 3063 8,27 3410 4520 3290 4360 6 3657 9,87 3720 4920 3590 4750 8 4825 13,0 4270 5660 4120 5470 10 5969 16,1 4680 6200 4520 5990 12 7087 19,1 4990 6610 4820 6390 250 5 3848 10,4 4140 5490 390 5300 6 4599 12,4 4520 5990 4370 5780 8 6082 16,4 5190 6870 5010 6640 10 7540 20,4 5700 7560 5500 7300 12 8972 24,2 610 0 8080 5890 7800 14 10380 28,0 6420 850 6200 8210 16 11762 31,8 6640 8800 6410 8500 300 7 6443 17,4 5810 7700 5610 7440 8 7339 19,8 6140 8130 593 7850 10 9111 24,6 6720 8900 6490 8600 12 10857 29,3 7180 9510 6930 9190 14 12579 34,0 7490 9930 7230 9590 16 14275 38,5 7770 10300 7500 9950 18 15947 43,0 7920 10500 7650 10140 315 8 7716 20,8 6420 8510 6200 8220 10 9582 25,9 7060 9360 6820 9040 12 11423 30,8 7540 9990 7280 9650 14 13239 35,7 7850 10400 7580 10050 16 15030 40,6 8150 10800 7870 10430
  52. 52. 51 Diâmetro Espessura Área da Massa Intensidade de Intensidade de externo da parede Seção por corrente para corrente para (dbo) (tw) circular metro E-AIMgSiO,5F22 E-AIMgSiO,5F25 2 (mm) (mm) (mm ) (Kg) 65° (A) 85° (A) 65° (A) 85° (A) 18 16795 45,3 8380 11100 8090 10720 330 8 8595 23,2 7060 9350 6820 9030 10 10681 28,8 7770 10300 7506 9950 12 12742 34,4 8230 10900 7950 10530 14 14778 39,9 8600 11400 8310 11010 16 16789 45,3 8910 11800 8610 11400 18 18774 50,7 9130 12100 8820 11670 400 10 12252 33,1 8750 11600 8450 11200 12 14627 39,5 9360 12400 9040 11980 14 16977 45,8 9810 13000 9480 12560 16 19302 52,1 10100 13400 9760 12940 18 21602 58,3 10300 13700 9950 13230 Fonte:[9] Tabela 3.2 – Propriedades mecânica e elétrica de várias ligas de alumino. HULETT`S S.A. NORMA ASA NORMA DIN Tipos de ligas AlMgSi,5 AlMgSi,5 D50STF D65STF 6063T6 6061T6 F22 F25 Resistividade elétrica a 2 0,03133 0,037 0,0325 0,0431 0,03333 0,0357120 ° (max.) em C mm / m Massa específica (ρ ) 3 2703 2703 2703 2703 2703 2703 Kg / mModulo da elasticidade (E) 9 9 9 9 9 9 em 65,66*10 69,12*10 69*10 70*10 70*10 70*10 2 N/m Coeficiente térmico de -6 -6 -6 -6 -6 -6 23*10 23*10 23*10 23*10 23*10 23*10 expansão por ° C Limite de escoamento 0,2% em Mpa 170 240 214 276 160 195 Rp 0,2 Fonte: [9]3.2 EFEITO CORONA – CÁLCULO DO GRADIENTE DE TENSÃO Para a determinação das dimensões do tubo por efeito corona é necessáriocalcular os gradientes de superfície e verificar se ocorre ou não este efeito. Ogradiente admissível de tensão de superfície (Eo) para condutores lisos e circularesé uma função do diâmetro do condutor (dbo), pressão atmosférica (p), e temperaturade operação [5].

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