Neste artigo, o engenheiro eletricista e professor do Instituto O Setor Elétrico, João Mamede Filho, aborda a função das subestações para o sistema elétrico e suas variadas formas de classificação. Boa leitura!
Função das subestações e suscetibilidade de falhas
O papel fundamental de uma subestação é reduzir ou elevar o nível de tensão associado à potência que chega aos terminais primários (subestação abaixadora) ou aos terminais secundários (subestação elevadora) dos transformadores que é o seu elemento de maior importância. Mas também é por meio da subestação que derivam os alimentadores ou as linhas de transmissão que vão alimentar outras subestações – suscetíveis a diferentes agressões demandadas pelo meio ambiente que podem chegar através das linhas de transmissão e de distribuição e das descargas atmosféricas que as atingem diretamente.
Como as subestações possuem uma grande quantidade e diversidade de equipamentos, podemos considerar os transformadores de força como os mais suscetíveis a falhas que acarretam supressão da potência transmitida, prejudicando os consumidores, que são o objetivo maior do sistema elétrico. O dano em uma chave, um disjuntor, um para-raios etc. pode ser contornado com certa facilidade, sem prejuízo maior para o usuário. Já o transformador, quando avariado, pode causar transtornos imensuráveis à população – no caso de subestações de propriedade das concessionárias de energia elétrica – e prejuízo financeiro para empreendimentos industriais, isto se não for considerado no projeto da subestação outro transformador que absorva a carga atendida pelo transformador defeituoso. Nos casos em que a avaria é de grande porte, o transformador deve ser retirado e levado ao fabricante ou empresa especializada para reparos.
Equipamentos e classificações de subestações
Os principais equipamentos que compõem uma subestação são: (i) transformadores de potência; (ii) transformadores de medida (TC’s e TP’s); (iii) para-raios; (iv) disjuntores; (v) chaves seccionadoras; (vi) retificadores; (vii) banco de baterias; (viii) transformadores de serviços auxiliares. Alguns desses equipamentos podem ser visualizados na imagem abaixo, de uma subestação de 230 kV.
Para que se obtenha um projeto de alto nível técnico, a projetista precisa lançar mão de todas as normas que se devem aplicar em uma subestação de potência, pois para cada equipamento podem existir um ou mais documentos normativos que necessitam ser utilizados. Por ser impraticável enumerar essas normas neste espaço, podem-se obter tais informações no livro Subestações de Alta Tensão, onde estão enumeradas as normas aplicáveis aos projetos de subestações.
As subestações podem ser classificadas de diferentes formas, de acordo com o objetivo que se queira abordar.
1 – Quanto ao nível de tensão
a) Subestações de distribuição
São aquelas supridas pelas redes de distribuição das concessionárias de energia elétrica às quais estão conectados todos os consumidores residenciais, comerciais e industriais de pequeno porte, alimentando pequenas cargas nas tensões entre fases de 220 V e entre fase e neutro de 127 V. Essas tensões são utilizadas notadamente pelos consumidores do Sudeste brasileiro. Nas demais regiões, têm predominância as tensões de 380 V entre fases e 220 V entre fase e neutro. São denominadas de Subestação de Distribuição e são alimentadas pela rede de distribuição da concessionária local.
b) Subestações de média tensão
São aquelas projetadas para operar em níveis de tensões denominadas de “média tensão”, que podem variar nas utilizações práticas entre 1,2 a 34,5 kV. As mais representativas são as que operam em tensões de 13,80 kV e 34,5 kV. As primeiras são massivamente construídas para atendimento ao comércio de médio porte e à grande maioria das indústrias brasileiras, todas localizadas nas áreas de concessão que operam na classe de tensão de 15 kV. Já as subestações na tensão de 34,5 kV têm aplicação generalizada nas usinas fotovoltaicas de médio e grande portes.
2 – Quanto ao tipo construtivo
Há uma grande variedade de tipos construtivos de subestações, como:
a) Subestações abrigadas
São aquelas instaladas em abrigos que as protejam contra as intempéries, água, sol e tempestades. Esses abrigos podem ser construídos de diferentes formas e materiais empregados, sendo os mais notáveis os seguintes:
- Casas em alvenaria;
- Cubículos metálicos com ventilação natural;
- Cubículos metálicos blindados com ventilação forçada.
Tais subestações são muito utilizadas nos sistemas de média tensão.
b) Subestações ao tempo
São aquelas construídas sem abrigo capaz de protegê-las das intempéries. A grande maioria das subestações de tensão igual ou superior a 69 kV são de construção ao tempo. Raramente são construídas em abrigos, a não ser que as condições ambientais sejam muito severas, proibindo a sua instalação ao tempo.
3 – Quanto ao meio isolante
Podem ser utilizados diferentes meios isolantes, como:
a) Isolação a ar
A grande maioria das subestações são de isolação a ar, compreendendo as subestações de média e alta tensão. São as subestações de menor custo.
b) Isolação a SF6
Também denominada de Gas Isulation Switchgear, são subestações em que todos os equipamentos (transformadores de medida, disjuntores, chaves etc.) são instalados no interior de tubos metálicos de grandes diâmetros, cheios de gás SF6 de elevado poder isolante e submetidos a um determinado nível de pressão positiva. Devido ao seu preço elevado, somente são instaladas em áreas urbanas onde o valor do terreno é muito alto ou simplesmente não existem terrenos disponíveis. Devido à sua grande confiabilidade, determinados consumidores de médio e grande portes utilizam esse tipo de subestação, tais como data centers e similares. Também são utilizadas em empreendimentos de energia eólica offshore, ainda não existentes no Brasil, mas com grandes expectativas de estarem disponíveis nos próximos 5 anos.
c) Isolação híbrida
São subestações em que algumas partes são construídas com isolação a ar e outras utilizando o gás SF6. Os módulos em SF6 compreendem os bays de entrada e saída das subestações, já que tais bays são formados por equipamentos que normalmente são instalados muito próximos – como os transformadores de corrente, transformadores de potencial, chaves seccionadoras e disjuntores, facilitando o seu enclausuramento nos cilindros de SF6.
4 – Quanto à forma de operação
O projeto de subestação deve levar em consideração a forma de operação que será utilizada.
a) Subestação com operação presencial
Antes da disponibilidade da tecnologia digital agregada à supervisão das subestações, a única forma de operação dessas subestações era de maneira presencial, com a presença de turmas de operadores (um ou mais em cada turno) e acesso a um rádio transmissor para comunicação com o Centro de Operação da empresa.
b) Subestação supervisionadas
Com o desenvolvimento da tecnologia digital dedicada às subestações de potência, a operação passou a ser remota, ou seja, do Centro de Operação da empresa, localizado em qualquer local do país, onde um grupo de técnicos especializados podem operar uma ou mais subestações remotamente, dia e noite. Logicamente, existem equipes de manutenção em localidades próximas que dão apoio às equipes de operadores remotos, caso seja necessária uma intervenção física, como por exemplo, a substituição de um acessório ou mesmo um equipamento avariado. Mas remotamente, os operadores podem ser capazes de manobrar um disjuntor a restabelecer a operação da subestação quando há falta de suprimento
A elaboração do projeto de subestações requer a participação de engenheiros de diferentes formações técnicas, assim como técnicos de nível médio e cadista, pois além dos trabalhos que exijam o conhecimento em eletricidade, há a necessidade da participação de profissional de engenharia civil, responsável pelo cálculo estrutural das bases dos transformadores, da casa de comando e controle e de todas as demais demandas dessa área do conhecimento – além de profissionais de engenharia especializados na elaboração de projeto de automação, supervisão e controle.
Normalmente, o projeto de uma subestação de médio e grande porte tem início com uma reunião entre a projetista e o responsável pelo empreendimento no qual será instalada a subestação. Nesse momento deverão ser discutidos o valor da carga a ser instalada, no caso de subestações de carga, ou da potência a ser gerada, no caso subestações para empreendimentos de usinas de geração, sejam elas utilizando energia limpa, tais como eólica, solar, biomassa, etc. ou utilizando o gás natural e o óleo combustível.
5 – Quanto às etapas para elaboração do projeto
O projeto de uma subestação deve ser dividido em três diferentes etapas:
a) Projeto conceitual
O próprio nome já define as atividades a serem desenvolvidas. Normalmente, nessa fase a projetista concebe o projeto apresentando o layout, cortes e vistas de diferentes partes da subestação, sem detalhamento, de forma que se possa discutir com os profissionais do empreendedor as alteraçõesque venham favorecer as necessidades da carga ou da geração. Após essa etapa, a projetista prepara um relatório técnico, uma relação dos principais equipamentos a serem utilizados e um conjunto de aproximadamente 10 plantas que explicita o conhecimento e funcionalidade geral da subestação. Esse projeto também tem utilidade como parte da documentação que deve ser enviada aos órgãos ambientais para obtenção das licenças ambientais.
b) Projeto básico
Consolidado o projeto conceitual, a projetista inicia a etapa do projeto básico. Nessa fase, deve ser aprofundado o detalhamento da subestação, de forma que o projeto possa ser utilizado pelo empreendedor para lançar no mercado o processo de tomada de preço ou licitação. A parte mais relevante nessa etapa do projeto é o Caderno das Especificações Técnicas detalhadas de todos os equipamentos e materiais de alto custo. Contudo, muitas partes do projeto ainda devem ser mostradas sem o detalhamento adequado, pois não são conhecidos os dados que permitam concluir essa atividade. Como exemplo, podemos mencionar a casa de comando e controle. Suas dimensões e layout somente podem ser finalizados quando a projetista receber os dimensionais dos painéis, cubículos, retificadores, banco de baterias, etc. de cada fornecedor. O mesmo ocorre com a base dos transformadores, pois é necessário que se tenham as dimensões desse equipamento e peso bruto.
Logo, a projetista lança mão dos seus modelos de casa de comando, base do transformador etc. que mais se aproximam do projeto em apreço de forma a passar para os proponentes o projeto mais real possível.
Caso semelhante ocorre com o projeto elétrico. Não sendo conhecida a identificação dos bornes dos painéis, cubículos, quadro de comando do disjuntor, etc., não é possível elaborar os diagramas funcionais e, consequentemente, os diagramas de interligação entre equipamentos, cubículos e painéis.
c) Projeto executivo
Conhecido o vencedor do certame, pode-se iniciar parcialmente o projeto executivo. As atividades principais do projeto executivo na sua plenitude somente podem ser iniciadas quando todas as informações dos fornecedores dos equipamentos e acessórios estejam disponíveis. No entanto, algumas outras atividades podem ser implementadas antes de conhecidas as informações técnicas, como por exemplo, o projeto da malha de aterramento. De uma forma geral, a projetista somente conclui o projeto executivo no final da obra quando é fornecido o “as built” pela empresa de montagem e construção da subestação.
Aprenda a desenvolver projetos de subestações de média e alta tensão com os treinamentos do Instituto O Setor Elétrico
O Instituto O Setor Elétrico oferece treinamentos para engenheiros eletricistas que atuam ou desejam adquirir conhecimentos sobre como projetar subestações elétricas de média e alta tensão. Ao decorrer das aulas, ministradas de forma online e ao vivo pelo professor João Mamede Filho, um dos mais importantes especialistas da atualidade, você irá aprender a:
– Configurar e dimensionar barramentos;
– Planejar projetos eletromecânicos e elétricos de subestações;
– Especificar materiais e equipamentos;
– Produzir relatórios técnicos.
Assine a nossa newsletter (disponível no final de nossa home page) e receba, em primeira mão, informações sobre a abertura de novas turmas!
