Projeto de Subestação Elétrica: Uma Introdução

Subestações elétricas constituem seções essenciais da rede de distribuição de energia, funcionando como hubs para a transmissão e distribuição de eletricidade. Essas instalações complexas necessitam de planejamento, design e implementação rigorosos para garantir um fornecimento de energia constante e eficiente.

Neste post, vamos examinar os fundamentos do design de subestações elétricas, incluindo diferentes componentes, preocupações de layout e fatores ambientais.

Critérios de Planejamento de Subestações

O nível máximo de falha em um barramento de nova subestação não pode ser mais de 80% da capacidade nominal de ruptura do disjuntor.

A margem de 20% é destinada a levar em conta o aumento nos níveis de curto-circuito conforme o desenvolvimento do sistema.

A taxa de corrente de interrupção e geração, bem como as capacidades de tempo de limpeza de falhas dos equipamentos de comutação em diferentes níveis de tensão, podem ser calculadas como:

A capacidade de qualquer subestação em vários níveis de tensão geralmente não deve exceder.

O tamanho e o número de Transformadores Interconectados (ICTs) devem ser planejados de tal forma que a falha de qualquer unidade não sobrecarregue os ICTs restantes ou o sistema subjacente.

Um disjuntor travado não pode interromper mais de 4 alimentações para um sistema de 220 kV, duas para um sistema de 400 kV e uma para um sistema de 765 kV.

Requisitos do Sistema da Subestação

Nomenclatura

Confiabilidade: A confiabilidade do sistema de energia é a fornecimento ininterrupto de energia na tensão e frequência necessárias. Barramentos, disjuntores, transformadores, isoladores e dispositivos reguladores afetam a confiabilidade da subestação.

Taxa de Falha: É a média anual de falhas.

Tempo de Interrupção: O tempo de interrupção refere-se ao tempo necessário para consertar um componente com falha ou mudar para uma fonte de suprimento diferente.

Tempo de Comutação: Tempo desde o início da interrupção até a restauração do serviço via operação de comutação.

Esquema de Comutação: A disposição dos barramentos e equipamentos leva em consideração o custo, a flexibilidade e a confiabilidade do sistema.

Distância Fase-Terra: A distância fase-terra da subestação é 

• Distância entre o condutor e a estrutura. 

• Distância entre equipamentos energizados e estruturas &

• Distância entre o condutor energizado e a terra.

Distância Fase-Fase: As distâncias fase-fase da subestação são 

• Distância entre condutores energizados. 

• Distância entre condutores e aparelhos energizados e 

• Distância entre terminais energizados em disjuntores, isoladores, etc.

Limite de Distância Terrestre: É a distância mínima de qualquer local onde um humano possa precisar se posicionar até a parte mais próxima de um suporte de isolador que não tenha potencial de terra e que suporta o condutor energizado.

Limite de Seção: É a distância mínima de qualquer local de pé até o condutor energizado mais próximo sem proteção. Considere a altura de uma pessoa com os braços esticados e a distância fase-terra para calcular o limite de seção.

Distância de Segurança: Isso inclui a distância do solo e a distância seccional.

Campo Eletrostático da Subestação: Condutores energizados ou partes metálicas criam campos eletrostáticos. Subestações EHV (acima de 400 kV) têm campos eletrostáticos que variam dependendo da geometria do condutor energizado/parte metálica e do objeto aterrado vizinho ou do solo.

Geral

• Linhas de transmissão, 

• Alimentadores de subtransmissão, 

• Circuitos geradores, e 

• Transformadores de elevação e redução de tensão 

se conectam a subestações ou estações de comutação. 

Subestações de 66 a 40 kV são chamadas de EHV. Acima de 500 kV, elas são UHV.

As preocupações e métodos de design para subestações EHV são semelhantes, no entanto, alguns elementos predominam em vários níveis de tensão. Até 220 kV, as sobretensões de comutação podem ser ignoradas, mas acima de 345 kV, elas são essenciais.

Critérios e Estudos de Design de Subestação

Os requisitos de design da subestação serão determinados pelos seguintes estudos.

• Estudos de Fluxo de Carga

• Estudos de Curto-Circuito

• Estudos de Estabilidade Transitória

• Estudos de Sobretensão Transitória

Estudos de Fluxo de Carga

• Uma subestação garante a transmissão confiável de energia aos consumidores do sistema. 

• As necessidades de condução de corrente da nova subestação (ou) estação de comutação são determinadas por estudos de fluxo de carga enquanto todas as linhas estão em operação e enquanto linhas selecionadas estão fora para manutenção. 

• Após avaliar várias condições de fluxo de carga, as classificações contínuas e de emergência do equipamento podem ser calculadas.

Estudos de Curto-Circuito

• Além das classificações de corrente contínua, os equipamentos da subestação precisam ter classificações de curto prazo.

• Essas classificações devem ser suficientes para permitir que o equipamento suporte o calor e as pressões mecânicas da corrente de curto-circuito sem danos.

• Para fornecer capacidade de interrupção adequada em disjuntores, resistência em isoladores de postes e ajuste apropriado para relés de proteção que detectam a falha.

• As correntes de curto-circuito máxima e mínima para diversos tipos e locais de curto-circuitos e configurações do sistema devem ser estabelecidas.

Estudos de Estabilidade Transitória

• A entrada mecânica normal do gerador é igual à saída elétrica, além das perdas do gerador.

• Os geradores do sistema giram a 50 Hz enquanto isso continuar. Qualquer perturbação no fluxo mecânico ou elétrico faz com que a velocidade do gerador se desvie de 50Hz e oscile em torno de um novo ponto de equilíbrio.

• Uma perturbação muito comum é o curto-circuito. Curto-circuitos próximos ao gerador reduzem a tensão na extremidade do gerador e aceleram a máquina.

• Após a correção do erro, o dispositivo alimentará energia excessiva no sistema de energia para restaurar seu estado original.

• Quando as ligações elétricas são fortes, a máquina desacelera rapidamente e estabiliza. Ligações fracas causarão instabilidade da máquina.

• Fatores que afetam a estabilidade incluem:

• Gravidade da falha,

• Velocidade de limpeza da falha,

• Ligações entre a máquina e o sistema após a resolução da falha.

• A estabilidade transitória da subestação depende de

• Tipo e velocidade de relé de proteção de linha e barramento,

• Tempo de interrupção do disjuntor, e

• Configuração do barramento após a eliminação da falha.

• O último ponto afeta a disposição do barramento.

• Apenas uma linha será afetada se a falha for resolvida durante a atuação do relé primário.

• Um disjuntor bloqueado pode causar a perda de múltiplas linhas durante a atuação do relé de falha do disjuntor, enfraquecendo a ligação do sistema.

Estudos de Sobre-tensão Transitória

• A sobre-tensão transitória pode resultar de raios ou comutação de circuitos.

• Os estudos com o Analisador de Rede Transitória (TNA) são a maneira mais precisa de determinar a sobretensão de comutação.

Disposição da Subestação

A disposição da subestação é determinada por considerações físicas e elétricas, incluindo as seguintes:

• Segurança dos Sistemas

• Flexibilidade Operacional

• Arranjos Fáceis de Proteção

• Limitação de Níveis de Curto-Circuito

• Instalações de Manutenção

• Extensão Fácil

• Fatores do Local

• Economia

Segurança dos Sistemas

• Subestações ideais incluem disjuntores separados para cada circuito e permitem a substituição de barramentos ou disjuntores durante a manutenção ou falhas.

• A segurança do sistema pode ser determinada permitindo 100% de dependência na integridade da subestação ou permitindo um percentual de tempo de inatividade devido a falhas periódicas (ou) manutenção.

• Embora um sistema de duplo barramento com design de duplo disjuntor seja perfeito, é uma subestação cara.

Flexibilidade Operacional

• Controlar a carga de MVA e MVAR em todas as condições de conexão do circuito é essencial para a eficiência da carga do gerador.

• Os circuitos de carga devem ser agrupados para fornecer controle ótimo em condições normais e de emergência.

Arranjos Fáceis de Proteção

• Se um disjuntor controla muitos circuitos ou mais disjuntores estão quebrados, isso pode ser mitigado pelo seccionamento do barramento.

• Mesmo que o relé de proteção seja simples, um sistema de barramento único é rígido para proteções complicadas.

Limitação dos Níveis de Curto-Circuito

• Uma subestação pode ser dividida em duas partes, totalmente ou através de conexão com reator, para reduzir os níveis de curto-circuito.

• O uso adequado de disjuntores nos sistemas em anel pode fornecer uma facilidade semelhante.

Instalações de Manutenção

• A manutenção é necessária durante a operação da subestação, seja planejada ou de emergência.

• O desempenho da subestação durante a manutenção depende das provisões de proteção.

Extensão Fácil

• A disposição da subestação deve permitir a extensão de baías para novos alimentadores.

• Conforme o sistema melhora, pode ser necessário mudar de um arranjo de barramento único para um sistema de duplo barramento ou ampliar uma estação em malha para uma estação de duplo barramento.

• Espaço e instalações de expansão estarão disponíveis.

Fatores do Local

• A disponibilidade do local é essencial para o planejamento da subestação. A construção de uma estação com menos flexibilidade pode ser necessária em locais limitados.

• A subestação com menos disjuntores e um esquema mais simples ocupa menos espaço.

Economia

• Se a economia for viável, um arranjo de comutação melhorado para requisitos tecnológicos pode ser criado.

Disposição da Subestação e Arranjo de Comutação

A disposição da subestação e o arranjo de comutação devem ser cuidadosamente projetados com base no IEEE 141 para garantir a eficiência e segurança do sistema de distribuição elétrica.

• Transformadores,

• Disjuntores, e

• Interruptores

deve ser escolhido com base nas exigências de tensão e carga.

Para maximizar o espaço, facilitar a manutenção e permitir a extensão, o layout deve ser cuidadosamente planejado. As barras de distribuição devem ligar eficientemente os equipamentos, e os circuitos devem melhorar o fluxo de energia e a confiabilidade.

Para detecção e isolamento rápido de falhas, são necessários sistemas robustos de proteção e controle. Os padrões regulatórios e as preocupações ambientais determinam o design da subestação para garantir segurança, confiabilidade e conformidade ambiental.

Vários aspectos devem ser considerados ao projetar um layout EHV e configurações de comutação:

• Deve ser confiável, seguro e garantir excelente continuidade do serviço.

Os esquemas típicos de barras de distribuição de subestações e a proteção são explicados em detalhes em:

1. O que é uma Barra de Distribuição Elétrica? Tipos, Vantagens, Desvantagens &

2. Esquemas de Proteção de Barras de Distribuição

Diferentes configurações de barras de distribuição oferecem diferentes vantagens em termos de redundância, flexibilidade operacional e acessibilidade à manutenção.

Um layout eficiente de barras de distribuição garante um fluxo de energia eficiente e facilita a expansão futura.

Estruturas de Pátio de Subestação

São necessárias estruturas para suportar e instalar equipamentos elétricos de barras e terminar cabos de linhas de transmissão.

As estruturas podem ser feitas de aço, madeira, RCC ou PSC. Com base no solo lateral, elas precisam de fundações.

As subestações utilizam construções de aço fabricado por suas vantagens.

O

• Espaçamento de fases, 

• Espaçamento do solo, 

• Isoladores, 

• Comprimento do barramento, e 

• Peso do equipamento 

afetam o projeto estrutural.

• Flexão, 

• Abaque de flange, 

• Cisalhamento vertical e horizontal, e 

• Abaulamento da alma 

devem prevenir a falha de vigas e vigotas de aço. 

As vigotas de caixa treliçadas devem ser 1/10 a 1/15 do vão e quadrado. Geralmente, a deflexão da viga não pode exceder 1/250 do comprimento do vão. 

Os parafusos e porcas da estrutura devem ter 16 mm de diâmetro, exceto nas seções com carga leve, onde podem ser 12 mm.

A carga de projeto para colunas e vigotas deve compreender 

• Tensão do condutor, 

• Tensão do cabo terra, 

• Peso do isolador e dos componentes, e 

• Carga fracionária (cerca de 350 kg), 

• Peso do operador e das ferramentas (200 kg) 

• Cargas de vento e de impacto 

durante a operação do equipamento.

O vão de descarga da linha aérea deve ser terminado pelas estruturas de portal da subestação. Pode chegar até +15 graus verticalmente e +30 graus horizontalmente.

As estruturas do pátio podem ser pintadas ou galvanizadas a quente. 

Estruturas feitas com aço galvanizado requerem manutenção mínima. 

No entanto, as estruturas pintadas oferecem melhor resistência à corrosão em algumas áreas extremamente contaminadas.

Espaçamentos de fases normalmente empregados como:

Projeto de Barramento

Para facilitar a conexão entre os muitos componentes que compõem uma subestação, os barramentos são barras condutoras usadas para transmitir energia elétrica por toda a subestação.

As perdas elétricas são reduzidas, a distribuição de energia é feita de forma mais consistente e o desempenho da subestação é melhorado quando os barramentos são projetados e dimensionados corretamente.

Subestação – Sistemas de Controle

A automação de subestações otimiza a operação e a eficiência ao combinar sistemas de controle, dispositivos inteligentes e redes de comunicação.

O monitoramento em tempo real, o controle remoto, a análise de dados e a manutenção preditiva melhoram a confiabilidade e reduzem o tempo de inatividade com a automação.

Sistemas de controle avançados, como SCADA, melhoram a automação de subestações, a coleta de dados e o controle remoto.

A automação de subestações utiliza sistemas SCADA para controle e monitoramento centralizados.

Os sistemas SCADA coletam dados da subestação para melhorar o fluxo de energia, tomar decisões e resolver falhas rapidamente.

Projeto de Subestação – Protocolos de Comunicação

O equipamento da subestação e os centros de controle precisam de redes de comunicação eficientes para compartilhar dados e controlar.

A arquitetura de design de subestação requer protocolos de comunicação confiáveis como IEC 61850, DNP3 ou Modbus para interoperabilidade, integridade dos dados e cibersegurança.

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