Subestações de energia eléctrica

Uma subestação de energia eléctrica é uma instalação que proporciona uma junção entre partes da rede eléctrica. As funções da subestação, críticas para o bom funcionamento do sistema eléctrico, incluem a interligação de linhas eléctricas de diferentes partes do sistema; a monitorização e controlo das condições de funcionamento do sistema; e a protecção do equipamento do sistema eléctrico.

CLASSIFICAÇÃO E DESCRIÇÃO GERAL

As subestações podem ser classificadas numa de várias categorias, dependendo da sua localização e função dentro do sistema. As subestações geradoras estão localizadas no local das centrais geradoras de energia e fornecem a ligação ao sistema de transmissão. Subestações de potência a granel ligam o sistema de transmissão ao sistema de subtransmissão, baixando a tensão através de um transformador (subestação transformadora), ou ligando linhas de transmissão de alta tensão de diferentes partes do sistema sem alterar a tensão (subestação comutadora). Uma subestação de distribuição fornece a ligação entre o sistema de subtransmissão e as tensões muito mais baixas do sistema de distribuição. Uma estação conversora é um tipo único de subestação de potência a granel que fornece uma ligação entre linhas de transmissão de alta tensão de corrente alternada e linhas de transmissão de alta tensão de corrente contínua.

A localização das subestações, factores eléctricos, geográficos, económicos, políticos, e estéticos devem ser considerados. As altas tensões do sistema de transmissão são utilizadas porque as correntes reduzidas resultam numa transmissão de energia mais eficiente. Por conseguinte, as subestações são colocadas o mais próximo possível das cargas do sistema para minimizar as perdas. Isto é limitado pelo valor e disponibilidade dos bens imóveis, bem como pela exigência de que o terreno seja relativamente nivelado dentro da subestação. Na colocação das subestações, em particular em áreas de população densa, toma-se o cuidado de que a localização não obstrua as vistas cénicas ou deprecie esteticamente os empreendimentos comerciais ou residenciais. A dimensão física das subestações pode cobrir grandes áreas porque os componentes de alta tensão são isolados uns dos outros por ar e, portanto, devem ser separados por distâncias significativas. Historicamente, estas questões têm limitado a instalação de grandes subestações a áreas de população relativamente escassa. No entanto, desde os anos 80, as subestações têm sido isoladas com gás sulfurhexafluoreto de enxofre pressurizado (SF 6). Devido à qualidade altamente isolante do SF 6, a dimensão destas subestações isoladas a gás pode ser bem inferior a 25% da dimensão de uma subestação isolada a ar com a mesma capacidade de manuseamento de energia. Em algumas aplicações, particularmente nas proximidades de centros populacionais, toda a subestação pode estar fechada dentro de edifícios, reduzindo as preocupações estéticas e a deterioração pelo ambiente. No entanto, as subestações isoladas a ar ainda são geralmente preferidas devido ao custo mais elevado e às preocupações ambientais relativas à libertação de SF 6 (que está a ser investigada como um gás com efeito de estufa).

SYSTEM INTERCONNECTION

A função principal das subestações é fornecer uma interligação entre linhas de transmissão que se estendem a outras áreas geográficas e entre partes do sistema que podem estar a funcionar a diferentes tensões. Um aspecto principal do desenho da subestação é a disposição das ligações através de disjuntores a nós comuns chamados busses. Os disjuntores são grandes interruptores eléctricos que fornecem a capacidade de desligar as linhas de transmissão ou transformadores do barramento. Os transformadores fornecem uma mudança de voltagem.

Busas

Busas são tipicamente feitas de alumínio ou cobre e são barras rígidas na subestação, isoladas do solo e outros equipamentos através de amplo material isolante, tipicamente ar ou sulfurexafluoreto de enxofre. A disposição dos autocarros na subestação pode enquadrar-se numa série de diferentes categorias; as mais comuns são ilustradas e explicadas no Quadro 1. A selecção apropriada da configuração é feita equilibrando cuidadosamente o custo, fiabilidade, controlo e espaço

Barramento único – Todas as ligações estão ligadas a um único barramento, com um disjuntor para cada barramento. Esta disposição é favorecida pela sua simplicidade e baixo custo, embora seja menos desejável no que diz respeito à fiabilidade. A manutenção do equipamento da subestação requer que as ligações sejam removidas de serviço. – Este tipo de barramento é normalmente a configuração de escolha nas subestações a 130 kV ou abaixo.
Barramento principal e de transferência – Tal como na disposição de barramento único, cada ligação está ligada ao barramento principal através de um disjuntor, mas o disjuntor pode ser contornado utilizando interruptores de desconexão através de um barramento de transferência e outro disjuntor para o barramento principal. Isto permite o isolamento do disjuntor para manutenção sem perda de serviço à ligação. – Usado em aplicações mais críticas a 130 kV ou abaixo, e ocasionalmente em tensões mais elevadas.
Ring Bus – Este esquema tem todos os disjuntores ligados em circuito fechado, com ligações que entram na junção entre disjuntores. Desta forma, qualquer ligação pode ser isolada ou qualquer disjuntor único removido sem interromper as outras ligações. Isto proporciona um nível de redundância mais elevado do que os sistemas acima mencionados. As questões de controlo e protecção de relé são um pouco mais complicadas para este arranjo. – Geralmente encontrados em subestações acima de 130 kV, em subestações mais pequenas. Muitas vezes instalado com a expectativa de expansão futura para um esquema de disjuntor e meio.
Desjuntor e meio – Este esquema tem dois autocarros iguais, com três disjuntores ligados entre eles. Cada ligação pode ser ligada a um dos autocarros através de um disjuntor, e no caso de um disjuntor estar fora de serviço ou a necessitar de manutenção, a ligação pode ainda ser servida através dos dois disjuntores para o outro autocarro. O nome desta disposição provém do facto de duas ligações serem servidas por três disjuntores, de modo a haver uma média de um disjuntor e meio por ligação. Este esquema é menos complicado que o barramento de anel, com maior fiabilidade, mas é mais dispendioso. – Mais comum em sistemas acima de 130 kV.
Double Bus – Um barramento duplo, arranjo de disjuntor duplo proporciona uma ligação a cada barramento através de um disjuntor independente para cada ligação. Isto proporciona redundância total em caso de mau funcionamento, ou a necessidade de efectuar manutenção num disjuntor ou barramento, mas é a configuração mais cara. – Normalmente encontrado na maioria das subestações de transmissão críticas e nas subestações geradoras.
Linha de bus, Transformador, ou Carregar ↓ Disconnect Switch -⦧ Circuit Breaker □

constraints. Se a subestação estiver a prestar serviço a cargas críticas, a necessidade de alta fiabilidade pode justificar o custo mais elevado de uma disposição de barramento mais complexa, enquanto que para cargas menos críticas, restrições de espaço podem ditar uma disposição mínima de barramento.

Disconnect Switches

Para cada peça de equipamento de uma subestação, são fornecidos interruptores manuais – chamados interruptores de desconexão – para impor um isolamento eléctrico completo do equipamento antes de qualquer serviço ser efectuado. Os interruptores de desligamento são colocados em locais claramente visíveis para que o pessoal de manutenção possa confirmar continuamente que o equipamento está isolado. O interruptor de seccionamento não pode interromper a corrente, pelo que só é aberto quando a corrente já foi interrompida por um interruptor automático, tal como um disjuntor.

Disjuntores de círculo

Disjuntores de círculo são interruptores que são operados por um sinal, de um relé ou de um operador. O disjuntor é concebido para interromper as correntes muito grandes que podem ocorrer quando o sistema sofre uma falha, tal como um relâmpago ou um arco à terra (por exemplo, uma árvore a cair sobre uma linha, ou uma linha a cair à terra). Como estas correntes extremamente grandes podem causar danos severos a equipamentos como transformadores ou geradores, e como estas falhas podem perturbar o bom funcionamento de todo o sistema de energia, os disjuntores são concebidos para funcionar com rapidez suficiente para evitar danos ao equipamento, frequentemente em 100 milissegundos ou menos.

Os contactos do disjuntor consistem em dois pedaços de metal capazes de se moverem um em relação ao outro. Quando o disjuntor está fechado, os contactos tocam-se e a corrente flui livremente entre eles. Quando o disjuntor se abre, os dois contactos são separados, normalmente por uma mola de alta resistência ou por um operador pneumático. Quando os contactos se separam, a corrente continua a fluir através deles, e o material entre eles é ionizado, formando um plasma condutor. Para proporcionar isolamento, o plasma deve ser eliminado e os contactos devem ser separados a uma distância suficiente para evitar a reiniciação de um arco. Várias tecnologias diferentes são implementadas para dar quatro tipos comuns de disjuntores.

Disjuntores de explosão de ar são isolados por ar, e o plasma extingue-se à medida que uma explosão de ar comprimido é soprada entre os contactos. Estes são menos comuns do que os outros tipos e geralmente já não são aplicados em novas instalações devido ao tamanho, e a problemas com a manutenção dos compressores. Os disjuntores cheios de óleo têm os contactos fechados dentro de um tanque selado de óleo altamente refinado, com condutas de óleo concebidas para forçar o óleo entre os contactos a tingir o arco quando os contactos abrem. Estes são comuns, mas estão a diminuir em popularidade devido às preocupações ambientais associadas ao risco de um derrame de petróleo. Embora as falhas do disjuntor só raramente ocorram, centenas de litros de petróleo podem ser derramados numa única falha, exigindo procedimentos correctivos muito dispendiosos. Os disjuntores mais populares para sistemas de alta tensão são disjuntores cheios de gás que têm os contactos fechados dentro de um tanque selado de SF6 pressurizado. Estes provaram ser altamente fiáveis, embora tenha havido algumas preocupações ambientais sobre a libertação do SF6 ao manter o dispositivo ou quando o tanque se rompe. Para aplicações de baixa tensão (menos de 34 kV), os disjuntores a vácuo são frequentemente utilizados. Estes eliminam a formação de arcos, fechando os contactos dentro de uma câmara evacuada. Como não há fluido a ser ionizado, não pode haver formação de plasma. O seu maior benefício é um tempo de resposta muito rápido e a eliminação de preocupações ambientais.

Além dos disjuntores, existem outras classes de interruptores automáticos que podem ser controlados ou operados à distância, mas com capacidade de interrupção de corrente. Estes incluem interruptores de circuito, religadores e seccionadores.

Transformadores

Transformadores de potência desempenham a função muito importante de ligar partes do sistema de potência que estão em tensões diferentes. Encontram-se exclusivamente em subestações, excepto no sistema de distribuição, onde podem ser montados em postes ou almofadas próximas das cargas que servem.

MONITORAMENTO E PROTECÇÃO DO SISTEMA

A subestação fornece um ponto de monitorização dos parâmetros de funcionamento do sistema. O sistema eléctrico é um conglomerado altamente complexo e sensível de peças que devem ser todas coordenadas para funcionarem correctamente. Por esta razão, as condições de funcionamento devem ser observadas e controladas de muito perto. Isto é feito utilizando sensores especializados para adquirir a informação e depois sistemas de comunicação para transmitir a informação a um ponto central. Para resposta imediata a falhas do sistema (tais como condutores danificados, arcos à terra, ou outras condições de funcionamento indesejáveis), é utilizado um sistema de relé de protecção (constituído por sensores e interruptores automáticos) para operar disjuntores.

Transformadores de instrumentos

As altas tensões e correntes observadas numa subestação excedem os valores de tensão e corrente do equipamento de monitorização, pelo que os transformadores de instrumentos são utilizados para os converter em valores mais baixos para fins de monitorização. Os transformadores de instrumento podem ser categorizados como transformadores de corrente (CT) ou transformadores de tensão (VT), que por vezes são também designados como transformadores potenciais. Os TCs consistem tipicamente num núcleo toroidal de material magnético enrolado com um número relativamente elevado de voltas de fio fino, com a corrente a ser medida passando pelo meio do toroide. Estes dispositivos estão frequentemente localizados nas buchas dos disjuntores e transformadores, de modo a poderem medir a corrente nesses dispositivos. As buchas são as ligações isoladas especiais que permitem que a corrente passe do ar exterior para um invólucro metálico selado. Os VTs servem a função de baixar a tensão até um nível mensurável. Há normalmente um ligado a cada uma das buchas da subestação. A maioria das vezes os TP são construídos essencialmente da mesma forma que outros transformadores, embora por vezes um acoplamento capacitivo possa melhorar ou substituir a electromagnetismo. Avanços recentes na tecnologia desenvolveram uma nova classe de TC e TP que são dispositivos ópticos que utilizam materiais especializados e técnicas avançadas de processamento de sinais para determinar a corrente com base na polarização da luz, influenciada pela força do campo magnético, e a tensão com base na polarização da luz, influenciada pela força do campo eléctrico. Embora estes dispositivos sejam significativamente mais caros do que as tecnologias tradicionais, proporcionam maior precisão e fiabilidade e melhor isolamento eléctrico.

Após as condições de funcionamento terem sido medidas, a informação é transportada para um local central utilizando um sistema conhecido como SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Os dados do sistema SCADA são exibidos no centro de despacho regional para ajudar os operadores a saber que acções devem ser tomadas para o melhor funcionamento do sistema.

Relaying de protecção

Transformadores de instrumentos fornecem entradas para o sistema de protecção automática. Para fornecer uma resposta rápida a falhas, um grupo de dispositivos chamados relés aceita os sinais de tensão e corrente, determina quando existem condições anormais, e abre os disjuntores em resposta a condições de falha. A concepção do sistema de protecção abre apenas os disjuntores mais próximos do problema, para que todo o resto do sistema possa retomar o funcionamento normal depois de a falha ser isolada do sistema. Historicamente, a determinação dos disjuntores a abrir tem sido feita utilizando vários dispositivos electromecânicos que tinham as necessárias comparações e atrasos incorporados na sua concepção. Estes incluem relés de sobrecorrente, relés direccionais, relés de distância, relés diferenciais, relés de subtensão, e outros. Estes dispositivos electromecânicos têm provado ser robustos e fiáveis desde o início do século XIX. No final da década de 1950, uma nova classe de relés, relés de estado sólido, utilizando circuitos analógicos e portões lógicos, proporcionaram basicamente o mesmo desempenho, mas sem quaisquer partes móveis e, portanto, requisitos de manutenção reduzidos. Com o advento dos microprocessadores de baixo custo e alto nível, nasceu uma nova geração de relés em que um único relé baseado em microprocessador desempenha todas as funções de vários relés electromecânicos ou de estado sólido diferentes. O microprocessador proporciona os benefícios de maior precisão, melhor sensibilidade a falhas, melhor selectividade, flexibilidade, facilidade de utilização e teste, e capacidades de auto-diagnóstico. Podem ser integrados no sistema SCADA para comunicar a causa da abertura do disjuntor, e podem ser operados, reiniciados e actualizados através de acesso remoto. Estas vantagens são a razão pela qual os relés baseados em microprocessador são encontrados na maioria das novas instalações e estão também a ser adaptados em muitas subestações existentes.

Além da protecção contra correntes excessivas, o equipamento deve ser protegido contra tensões excessivas que normalmente resultam de descargas atmosféricas ou transientes de comutação. Devido à alta velocidade destes surtos, os relés e disjuntores são incapazes de responder a tempo. Em vez disso, este tipo de protecção é proporcionado por pára-raios, que são dispositivos passivos que impedem sobretensões sem partes móveis. Uma caixa de ar foi o primeiro tipo de pára-raios, em que um conjunto especial de contactos é colocado a uma distância especificada pela tensão máxima tolerável. Quando a tensão excede esse limiar forma-se um arco, encurtando essencialmente a sobretensão. A mais recente tecnologia de pára-raios é o varistor de óxido de metal (MOV). Trata-se de um dispositivo que se comporta como uma resistência muito grande em tensões abaixo do limiar especificado, mas em tensões acima do limiar, a resistência do dispositivo cai precipitadamente, tirando efectivamente corrente suficiente para limitar a tensão, mas sem a encurtar para a terra.

CONTROLO DE VOLTAGEM DO SISTEMA

Outra das principais funções de uma subestação é fornecer os meios para controlar e regular as tensões e o fluxo de potência. Estas funções são fornecidas ou por feedback de um sistema automatizado ou por instrução remota a partir do centro de despacho, utilizando um conjunto de dispositivos e sistemas dentro da subestação.

Um comutador de torneira de carga, parte integrante de um transformador de potência, é um interruptor especial que ajusta a relação de tensão do transformador para cima ou para baixo, para manter a tensão do lado da carga no nível desejado, apesar da variação das tensões do lado da fonte. Os bancos de condensadores são utilizados para aumentar a tensão numa subestação quando esta caiu demasiado baixo, particularmente em áreas de grandes cargas industriais. Os reactores Shunt são utilizados para baixar tensões que subiram demasiado devido à capacidade na linha de transmissão ou distribuição.

Outra classe de dispositivos utilizados para controlar a tensão é operada utilizando interruptores electrónicos alimentados para ajustar continuamente a capacitância e/ou indutância numa subestação para manter a tensão precisamente na tensão desejada. Estes dispositivos são relativamente novos na implementação, tendo sido desenvolvidos com o advento de componentes semicondutores de potência baratos e robustos. Estes dispositivos fazem parte de um grupo amplamente conhecido como dispositivos FACTS (Flexible AC Transmission System) e incluem compensadores estáticos var, compensadores estáticos síncronos, e restauradores dinâmicos de tensão.

John A. Palmer

See também: Capacitores e Ultracapacitores, Sistemas de Motores Eléctricos; Potências Eléctricas, Geração de; Potências Eléctricas, Protecção do Sistema, Controlo e Monitorização de; Energia Eléctrica, Fiabilidade do Sistema e; Sistemas de Transmissão e Distribuição de Energia Eléctrica; Isolamento; Transformadores.

BIBLIOGRAFIA

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