Neste artigo inédito, o professor João Mamede Filho explica a importância das subestações de potência e detalha cada tipo.

Introdução

Todo sistema de potência é constituído de três diferentes segmentos: geração, transmissão e distribuição.

Para que a energia gerada no primeiro segmento chegue ao seu destino final, que é o consumidor que está ligado ao sistema de distribuição, é necessário também que existam em cada um desses segmentos uma subestação que possa elevar ou reduzir a tensão em diferentes níveis.

Assim, as usinas elétricas, sejam elas hidráulicas, térmicas, eólicas e fotovoltaicas geram energia em baixos níveis de tensão.

As usinas hidráulicas e térmicas normalmente geram em tensões que variam entre 6 a 25 kV. Já as usinas eólicas geram em tensões que variam entre 600 a 800 V para turbinas de pequeno e médio porte e de 12 kV para turbinas de grande porte.

As usinas fotovoltaicas possuem um nível de tensão de geração da ordem de 320 V a 1.000 V. É fácil compreender que um grande bloco de energia gerada em tensões tão baixas não pode ser transportado por dezenas a várias centenas de quilômetros aos pontos de consumo.

Logo, a energia gerada nesses níveis de tensão alimenta inicialmente um transformador, que tem a função de elevar a tensão de geração para níveis compatíveis com o valor do bloco de energia gerada e com a distância a ser percorrida através de um sistema de transmissão.

Como os equipamentos de consumo são fabricados, por motivos econômicos e de segurança, com baixos níveis de tensão, agora é necessário que a tensão do bloco de carga transportada seja reduzida a níveis compatíveis com os equipamentos consumidores, normalmente variando entre 220 a 440 V, entre fases.

A elevação da tensão de geração reduz a corrente elétrica que circula nas linhas de transmissão que transportam os blocos de potência gerada, reduzindo dessa forma, as perdas elétricas que fazem parte de qualquer sistema de transporte da energia.

A Figura 1 mostra simplificadamente um sistema de potência.

De forma geral, os geradores eólicos e fotovoltaicos possuem uma tensão de geração variando entre 1.000 V (pequenos geradores) a 12.000 V (grandes geradores). Assim, é necessário que se eleve essa tensão para 13,80 kV (pequenos geradores) e para 34,5 kV (médios e grandes geradores).

Para que a potência gerada seja injetada na rede de distribuição, a tensão deve ser elevada a níveis de transmissão:

• Para 69 kV (pequenas usinas geradoras de até 30 MW de potência nominal).
• Para 138 kV (usinas geradoras de médio porte,de até 150 MW de potência nominal).
• Para 230 kV (usina geradoras de grande porte de até 300 MW de potência nominal).
• Para geradores com capacidade nominal superiores a 300 MW, a tensão de transmissão deve ser de 500 kV.
• Já próximo à carga consumidora, a tensão deve ser reduzida sucessivamente, até alcançar níveis de 220 V ou 380 V, a depender da região do Brasil.

Sempre que necessitamos elevar ou reduzir a tensão de um sistema de potência faz-se necessária a utilização de uma subestação elevadora ou subestação abaixadora, conforme pode ser observado no esquema da Figura 1 acima.

Exemplo – Subestação Xavantes

O vídeo abaixo, de 2014, mostra a inauguração da ampliação da Subestação Xavantes da Celg, localizada na região Norte de Goiânia, entre a Capital e Nova Veneza, cujo objetivo era aumentar a distribuição de energia elétrica a consumidores residenciais, comerciais, industriais e de serviços públicos.

Composição de um sistema elétrico de potência

Sistema de distribuição

Sistema secundário ou de baixa tensão

É aquele ao qual estão conectados os consumidores com cargas normalmente iguais ou inferiores a 50 kW.

Esse sistema atende a residências, pequeno comércio, iluminação pública etc. Tem como ponto inicial os terminais secundários de um transformador instalado em poste de concreto armado.

Sistema primário ou de média tensão

É aquele cuja tensão varia entre 6,6 kV a 34,5 kV. Esse sistema é interligado ao sistema de baixa tensão por meio de transformadores, normalmente instalados em postes (transformadores de distribuição), ou por meio de pequenas subestações de distribuição, no caso de atendimento a cargas superiores a 300 kW, cuja subestação é propriedade do consumidor.  

Os sistemas de média tensão são utilizados pelas empresas concessionárias de distribuição de energia elétrica, em suas áreas de concessão, atendendo às cargas de baixa tensão, às cargas comerciais de médio porte e às cargas industriais de pequeno porte.

Sistema de subtransmissão

É aquele cuja tensão varia entre 45 kV a 138 kV. Esse sistema é interligado ao sistema de média tensão por meio de subestações de potência. 

Os sistemas de subtransmissão são utilizados pelas empresas de distribuição de energia elétrica em suas áreas de concessão atendendo, nesses níveis de tensão, às cargas comerciais de grande porte e às cargas industriais de médio porte, além das subestações de distribuição da própria concessionária.

Sistema de transmissão

É aquele cuja tensão varia entre 230 kV a 500 kV e pertence à Rede Básica do Sistema Interligado Nacional (SIN), que é constituído por quatro subsistemas: Sul, Sudeste/Centro-Oeste, Nordeste e a maior parte da região Norte. Esse sistema é interligado ao sistema de subtransmissão por meio de subestações de potência. 

Os sistemas de transmissão são utilizados pelas concessionárias de transmissão de energia elétrica, denominadas de Transmissoras, atendendo, nesses níveis de tensão, às necessidades das empresas distribuidoras de energia elétrica, em suas áreas de concessão, que, por sua vez, atendem aos consumidores de média e baixa tensão, as cargas comerciais e industriais de grande porte.

Sistema de transmissão em corrente contínua

Atualmente no Brasil estão em operação somente dois sistemas de corrente contínua.

O primeiro sistema tem origem na usina hidroelétrica de Itaipu na tensão de ±600 kV, para permitir ao Brasil comprar toda a energia excedente do Paraguai, que tem direito à produção de 10 unidades de 700 MW, cada, na frequência de 50 Hz, que é a frequência da rede elétrica daquele país.

Do lado brasileiro, há mais 10 geradores de 700 MW, cada, cuja frequência é 60 HZ cuja energia é exclusivamente brasileira, totalizando 14 GW de potência instalada em geração.

O segundo sistema em corrente contínua foi construído na tensão de ±800 kV para o aproveitamento da energia gerada pela hidroelétrica de Belo Monte ligada a uma linha de transmissão bipolar com extensão 2.087 km, interceptando os estados do Pará, Tocantins, Goiás e Minas Gerais.

As linhas de transmissão em corrente contínua têm custos inferiores às linhas de transmissão em corrente alternada. Porém, os custos elevados das estações conversoras tornam a solução dos sistemas de corrente contínua desvantajosa, e apenas utilizada em empreendimentos específicos, como nos casos das usinas hidroelétrica de Itaipu e de Belo Monte.

Esses sistemas necessitam de uma estação conversora no ponto de conversão de corrente alternada para contínua, localizada normalmente na geração, ou muito próxima dela, e uma ou mais estações conversora de corrente contínua para corrente alternada nos pontos de conexão com os sistemas de transmissão em corrente alternada.

Os sistemas de corrente contínua apresentam menores perdas elétricas, sendo competitivos com os sistemas de corrente alternada para longas distâncias.

Classificação (tipos) das subestações de potência

Subestação elevadora

É aquela que eleva o nível de tensão gerado por uma fonte de energia elétrica e distribui a potência associada a uma ou mais linhas de transmissão com tensão mais elevada do que a de origem.

Assim, são as subestações elevadoras de usinas hidráulicas, térmicas, eólicas, fotovoltaicas etc.

Subestação abaixadora

É aquela que reduz o nível de tensão gerado por uma fonte de energia elétrica e distribui a potência associada as redes de distribuição aéreas e subterrâneas, alimentando subestações com menor nível de tensão.

É normalmente instalada na periferia dos centros urbanos para evitar que as linhas de transmissão de tensões elevadas sejam construídas no espaço urbano, o que pode gerar transtornos à população e limitar o uso do solo.

Normalmente, essas subestações são alimentadas por linhas de transmissão de 230 a 550 kV, às quais estão conectadas às redes de subtransmissão de energia elétrica por meio de subestações abaixadoras de potência.

Subestação de distribuição

É aquela destinada a reduzir o nível de tensão de forma a atender às necessidades das áreas de concessão de uma determinada região ou estado da federação.

Essas subestações normalmente pertencem às empresas de distribuição de energia elétrica e aos consumidores de médio porte.

Normalmente, são subestações do tipo:

• aérea, instaladas em poste de concreto armado ou de ferro e são conectadas às redes de distribuição aéreas;
• pad-mounted;
• subterrânea, quando conectadas a redes subterrâneas. As tensões frequentes variam entre 6,6 kV a 34,5 kV.

Subestação de manobra

É aquela a que se destina ao chaveamento de linhas de transmissão de 230 a 750 kV. Normalmente, são subestações pertencentes à Rede Básica.

Também existem subestações de manobra que operam em sistemas com outros níveis de tensão de 138 kV, 88 kV e 69 kV.

Subestação conversora

É uma subestação normalmente pertencente ao sistema de corrente contínua, que faz a conversão de corrente contínua para alternada e vice-versa.

Subestação industrial

É aquela que é suprida por um ou mais alimentadores de uma rede de distribuição pública ou por uma ou mais linhas de subtransmissão ou transmissão, reduzindo a tensão de alimentação a valores compatíveis com as tensões de utilização da indústria.

Subestação móvel

É aquela montada sobre um veículo motorizado ou não e tem por objetivo atender a situações emergenciais.

Na sua grande maioria, utiliza equipamentos compactos e é composta pelos seguintes elementos:

1. chave seccionadora tripolar do lado primário;
2. disjuntor no lado primário;
3. transformador de potência com capacidade nominal definida pela empresa utilizadora para atender a maior demanda que o sistema vai requerer em situação emergencial;
4. disjuntor no lado secundário;
5. chave seccionadora do lado secundário;
6. painel de relés de proteção;
7. chave seccionadora do transformador de serviços auxiliares;
8. transformador de serviços auxiliares. Outros equipamentos podem ser utilizados em função das necessidades de uso da subestação móvel.

Em geral, esse tipo de subestação é adquirido pelas empresas concessionárias de energia elétrica para usar em suas subestações fixas quando da perda do transformador de potência nessas unidades.

Podem ser utilizadas também em eventos realizados em locais onde não há centros de transformação com capacidade necessária para atender à demanda esperada.

Existem subestações móveis em média e alta tensão, ou seja, (i) 13.800/380-220 V; (ii) 69/13,8 kV e (iii) 230/69 kV.

Essas subestações são quase sempre alimentadas pelo sistema de distribuição ou transmissão presente no local de utilização. Raramente são alimentadas por geradores móveis.

Existem também empresas privadas que adquirem esse tipo de subestação para prestação de serviços, tanto às concessionárias de serviço público como a qualquer consumidor que necessita desse tipo de serviço.

As subestações móveis podem ser fabricadas do tipo aberto ou fechado (enclausurado). Esse último tipo de subestação, em geral, é transportado até o local de utilização e instalado em uma base fixa de forma temporária.

Formas de operação

Subestações com operação presencial

São aquelas que exigem a presença constante de um operador, em geral com revezamento por turno.

Para pequenas subestações com tensões iguais ou inferiores a 69 kV é necessário apenas 1 (um) operador por turno.

Para subestações com maior nível de tensão e operação mais complexa, há exigência de 2 (dois) ou mais operadores por turno. Esse tipo de subestação está aos poucos migrando para sistemas com tecnologias mais avançados denominadas subestações de operação assistida ou supervisionada.

Subestações supervisionadas

São aquelas dotadas de um sistema supervisório digital que permite que se controle e supervisione a partir de locais remotos todos os pontos de importância operacional da subestação. Para operar essas subestações não há necessidade da presença de um operador.

Essas subestações possuem um sistema digital capaz de acionar equipamentos, registrar as informações de corrente, tensão, potência etc. em tempo real enviando essas informações ao Centro de Operação do Sistema que comanda, controla e supervisiona toda a subestação.

Além disso, as subestações possuem um sistema de câmeras com visão noturna instalado em pontos estratégicos (entradas, barramentos, casa do comando e controle) que estão integradas ao sistema supervisório. São utilizados também sensores de presença do tipo térmico que enviam sinal de alarme de intrusão para o Centro de Operação do Sistema.

Tipos construtivos

Instalação abrigada

São aquelas cujos equipamentos são instalados no interior de uma edificação normalmente feita em alvenaria com estrutura de concreto armado.

Nesse tipo de subestação todos os equipamentos de alta tensão são instalados no interior de uma construção que pode ser totalmente fechada com ventilação ou parcialmente fechada.

Em subestações sujeitas a altos índices de poluição, seja por concentração de contaminantes salinos (muito próximas ao litoral) ou contaminantes industriais, são normalmente instaladas abrigadas. Apresentam um custo mais elevado.

Não são raras subestações abrigadas em 69 ou 88 kV. Somente em casos muitos especiais são construídas subestações abrigadas em 230 kV. Nesse nível de tensão, em geral, quando se faz necessária a instalação de uma subestação abrigada, utiliza-se o tipo de subestação compacta GIS – Gas Isulation Switchgear, em que todos os equipamentos de alta tensão, TCs, TPs, disjuntores e chaves seccionadoras são instalados no interior de robustos cilindros metálicos, cheio do gás SF6, sob pressão. 

Instalação ao tempo em barramentos não isolados e instalação convencional

São aquelas cujos equipamentos devem ser próprios para instalação ao tempo, sujeitos à chuva e outras intempéries. Tem seu aspecto construtivo visto na Figura 2. É o tipo mais comum e o de menor custo.

Nesse caso, são utilizados equipamentos convencionais de alta tensão, TCs, TPs, para-raios, disjuntores e chaves seccionadoras fabricadas para operação ao tempo, sujeitos a intempéries.

A grande maioria dos projetos de subestações de alta tensão, iguais e superiores a 69 kV, é de construção ao tempo.

Instalação ao tempo em barramentos isolados compactos

São aquelas construídas ao tempo utilizando equipamentos convencionais e equipamentos compactos, porém com os barramentos cobertos com material isolante sem blindagem eletrostática.

Dessa forma, podem-se arranjar os barramentos com distâncias inferiores aos valores necessários quando se trata de subestações constituídas de barramentos rígidos. Esse tipo de subestação permite ser construído numa área com dimensões inferiores às dimensões necessárias à construção de subestações convencionais ao tempo.

Em áreas urbanas, onde o preço do terreno é muito elevado, pode ser conveniente optar por essa solução.

Instalação blindada

São as subestações cujos equipamentos de potência convencionais estão instalados no interior de cubículos metálicos. Dependendo do grau de proteção do cubículo metálico podem ser instaladas ao tempo ou somente em ambientes abrigados.

Esse tipo de subestação é normalmente empregado em locais onde há restrição de área, ou para alimentação de uma carga elevada junto à qual se instala essa subestação.

Nesse caso, deve-se adotar o grau de proteção contra penetração de objetos sólidos, partículas ou penetração de água quando se tratar de subestação de instalação ao tempo.

Normalmente, as subestações blindadas são construídas para sistemas de média tensão até 34,5 kV.

Material das estruturas-suporte

Estrutura de concreto armado

É utilizada normalmente nos projetos de subestações de construção ao tempo, em tensão igual ou superior a 13,8 kV, onde são utilizados postes duplo T ou postes de concreto armado de seção retangular, normalmente construídos para aquela subestação em particular. É pouco o número de subestações construídas na faixa de tensão entre 6,6 kV e 46 kV utilizando estruturas de concreto armado.

Normalmente, essas subestações são de instalação abrigada em construção de alvenaria.

A Figura 2 mostra uma subestação de 230 kV, de construção em estrutura de concreto armado.

Estrutura metálica

É utilizada normalmente nos projetos de subestações de construção ao tempo, em tensão igual ou superior a 69 kV, conforme a subestação de 230 kV mostrado na Figura 3. Esse tipo de subestação normalmente tem seu custo superior ao custo das subestações construídas com estruturas de concreto armado.

A vantagem das subestações de estruturas metálicas é quanto à facilidade de deslocamento dessas estruturas até o local das obras, notadamente aquelas de difícil acesso. São montadas nas indústrias em pequenas seções facilitando o transporte.

Já as estruturas de concreto armado são fabricadas com duas ou mais seções, porém com pesos muito elevados dificultando o transporte para os pontos onde acesso não permite a entrada de veículos pesados.

Meios de isolação

Isolação a ar

São as subestações de maior uso devido ao seu baixo custo quando comparadas com outros tipos de subestações isoladas por outros meios isolantes.

Essas subestações normalmente ocupam espaços maiores do que aos demais tipos de subestação. As Figuras 2 e 3 mostram uma subestação com isolação a ar.

Conjunto de componentes compactos a SF6

Também denominado de CAIS –Compact Air Isulated Switchgear, esse é o tipo de subestação muito compacta. A tecnologia é de domínio de somente alguns fabricantes.

São utilizadas somente em locais onde há alguma restrição de área, tal como ocorre em centros comerciais urbanos densos, onde o preço do terreno é elevado, ou a carga necessita de elevado grau de confiabilidade e continuidade do serviço.

A aérea ocupada por esse tipo de subestação é de aproximadamente 50% da área ocupada por uma subestação do tipo convencional, instalação ao tempo.

Isolação total a SF6

Também denominada de GIS – Gas Isulation Switchgear, esse é o tipo de subestação mais compacta que atualmente é fabricada. A tecnologia é de domínio de pouquíssimos fabricantes.

São utilizadas somente em locais onde o espaço para construção é muito restrito, tal como ocorre em centros comerciais de alta concentração de carga, onde o preço do terreno é extremamente elevado, ou a carga necessita de elevadíssimo grau de confiabilidade e continuidade do serviço.

A aérea ocupada por esse tipo de subestação é de aproximadamente 15% da área ocupada por uma subestação do tipo convencional, instalação ao tempo, e ocupa um volume de apenas 20%.

Nesse tipo de subestação, todos os componentes de potência, incluindo os barramentos, estão instalados nos cilindros e compartimentos metálicos cheios do gás SF6, sob pressão, constituindo-se um bloco metálico muito compacto. Essas subestações são normalmente instaladas abrigadas.

Isolação híbrida

É o tipo de subestação que agrega a tecnologia das subestações de isolação a ar e a das subestações isoladas a SF6.

A tecnologia relativa às subestações a SF6 é de domínio de poucos fabricantes. Já a tecnologia de isolação a ar é de conhecimento geral.

São utilizadas somente em locais onde há alguma restrição de espaço, ou a carga necessita de um razoável grau de confiabilidade e continuidade do serviço.

A aérea ocupada por esse tipo de subestação é de aproximadamente 65% da área ocupada por uma subestação do tipo convencional, instalação ao tempo.

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