ELECTRICAL SUBSTATION: ESSENTIAL COMPONENTS AND PROCEDURES FOR EFFICIENT OPERATION
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/cl10202411261812
Felipe do Monte Pereira1
Rodrigo Pereira de Oliveira2
Resumo
Uma subestação é uma instalação elétrica que desempenha um papel crucial na distribuição de energia elétrica. Ela serve para transformar a tensão da energia elétrica, geralmente reduzindo-a, para que possa ser distribuída de forma segura e eficiente para residências, indústrias e outros consumidores. As subestações geralmente incluem equipamentos como transformadores, disjuntores e sistemas de controle. Elas podem ser classificadas em diferentes tipos, como subestações de transmissão, que conectam redes de alta tensão; e subestações de distribuição, que operam em tensões mais baixas. As grandes dificuldades para implementar uma subestação são decorrentes do planejamento e projeto, localização, custos, segurança, meio ambiente, aprovações regulatórias, integração com rede existente, manutenção e operação, tecnologia e inovação, e por fim, a comunidade e sociedade. O objetivo deste trabalho é propor a implantação de uma subestação elétrica no empreendimento para garantir melhor qualidade e capacidade de fornecimento de energia, em conformidade com as normas e regulamentações vigentes. Pretende-se identificar os elementos de proteção necessários para prevenir falhas que possam causar interrupções no fornecimento, preservando a qualidade do serviço prestado; bem como os tipos de subestações adequados para instalação, considerando os locais apropriados e atendendo aos padrões exigidos pela concessionária.
Palavras-chave: Subestação. Distribuição. Energia.
Abstract
A substation is an electrical installation that plays a crucial role in the distribution of electrical energy. It serves to transform the voltage of electrical energy, generally reducing it, so that it can be distributed safely and efficiently to homes, industries and other consumers. Substations typically include equipment such as transformers, circuit breakers, and control systems. They can be classified into different types, such as transmission substations, which connect high voltage networks; and distribution substations, which operate at lower voltages. The great difficulties in implementing a substation arise from planning and design, location, costs, safety, environment, regulatory approvals, integration with the existing network, maintenance and operation, technology and innovation, and finally, the community and society. The objective of this work is to propose the implementation of an electrical substation in the project to guarantee better quality and energy supply capacity, in accordance with current standards and regulations. The aim is to identify the protection elements necessary to avoid failures that could cause interruptions in supply, preserving the quality of the service provided; as well as the types of substations suitable for installation, considering specific locations and meeting the standards required by the specification.
Keywords: Substation. Distribution. Energy.
1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
As subestações elétricas são elementos fundamentais para garantir a conexão, transformação e distribuição de energia de maneira confiável e eficiente, atendendo às necessidades de diferentes setores e contextos. Elas desempenham um papel crucial tanto na transmissão quanto na distribuição de energia elétrica. Na transmissão, as subestações interligam linhas de alta tensão, permitindo o transporte de eletricidade por longas distâncias e a integração de diferentes regiões do sistema elétrico. No âmbito da distribuição, essas instalações transformam tensões de níveis elevados para níveis médios ou baixos, adequados ao fornecimento de energia para áreas urbanas, rurais e industriais. Esse processo assegura que a energia chegue de forma eficiente e segura ao consumidor final.
Essas subestações são indispensáveis nos centros urbanos, onde abastecem residências, comércios e serviços públicos, assegurando o funcionamento das cidades. Elas também são essenciais para sistemas de transporte elétrico, como trens e metrôs, garantindo um fornecimento contínuo de energia vital para a mobilidade urbana. Dessa forma, as subestações contribuem significativamente para a infraestrutura elétrica moderna, promovendo a eficiência e a confiabilidade no fornecimento de energia.
A implantação de uma subestação exige uma análise detalhada de diversos fatores técnicos, como as características da carga, que permitem dimensionar corretamente os equipamentos necessários, o nível de confiabilidade desejado, que define o grau de redundância e segurança do sistema, o esquema de proteção, que garante a integridade dos equipamentos e do sistema elétrico, e o número de transformadores, além da potência de curto-circuito, que determinam a capacidade da subestação de atender à demanda e operar com segurança. Esses projetos devem atender rigorosamente às normas regulatórias nacionais e internacionais. No Brasil, por exemplo, destacam-se normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), como a NBR 5410 e a NBR 14039, além da Norma Regulamentadora NR 10, que estabelece diretrizes de segurança para trabalhadores. Complementarmente, normas internacionais, como a IEC 60364, asseguram que os projetos atendam a padrões globais de qualidade e eficiência.
As subestações podem ser classificadas conforme diferentes critérios. De acordo com sua função, elas podem realizar manobras no sistema, transformar níveis de tensão, distribuir energia ao consumidor final, regular tensão e fator de potência, ou converter correntes alternadas em contínuas e vice-versa, como no caso de Itaipu, onde são necessárias para compatibilizar frequências entre Brasil e Paraguai. Pelo nível de tensão, elas podem ser de média, alta, extra alta ou ultra alta tensão. Quanto ao tipo de instalação, podem ser em pátio aberto, abrigadas ou blindadas, e pelo grau de automação, podem ser assistidas, semiautomáticas ou completamente automatizadas.
Além disso, as subestações contam com componentes essenciais, como transformadores, responsáveis pela alteração dos níveis de tensão, para-raios, que protegem contra surtos de tensão e descargas atmosféricas, disjuntores e chaves seccionadoras, que permitem a abertura e fechamento de circuitos, cabos e ramais de ligação, que transportam energia entre os equipamentos, isoladores e muflas, que asseguram a segurança do sistema, e transformadores de corrente e de potencial, que são fundamentais para a medição e proteção, garantindo precisão e segurança.
O processo de projeto de uma subestação envolve etapas que vão desde o projeto básico, que define a localização ideal, considerando expansões futuras e impactos ambientais, até o projeto executivo, que dimensiona os equipamentos necessários e analisa a carga a ser alimentada, determinando a potência adequada. Esses estudos incluem cálculos importantes, como o fator de demanda, que avalia a relação entre a demanda máxima e a potência instalada, o fator de carga, que mede o aproveitamento da energia em relação ao consumo, e o fator de potência, que avalia a eficiência do uso da energia fornecida pela concessionária.
Ademais, as subestações são projetadas para atender a diferentes tipos de carga, como residenciais, comerciais, industriais e de infraestrutura crítica, incluindo hospitais e centros de dados, que demandam alta confiabilidade, além de integrar geração distribuída, como usinas solares ou eólicas, ao sistema de distribuição. Dessa forma, as subestações elétricas se consolidam como peças-chave no sistema energético moderno, contribuindo para a eficiência, segurança e confiabilidade do fornecimento de energia. Projetos bem elaborados, baseados em normas técnicas e práticas avançadas de engenharia, garantem que essas instalações atendam às demandas crescentes de energia de maneira sustentável e integrada.
Neste contexto, é relevante analisar as normas regulatórias, que podem determinar a obrigatoriedade ou condições específicas para a instalação desse tipo de sistema de distribuição de energia. As soluções oferecidas neste trabalho foram adaptadas para atender diferentes perfis de clientes, incluindo empresas, indústrias e pessoas físicas, ajustando-se às necessidades específicas de cada aplicação.
No Brasil, as subestações elétricas têm um papel essencial no sistema de geração, transmissão e distribuição de energia, ajustando os níveis de tensão conforme a necessidade em cada fase do processo. De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2018), uma subestação é um conjunto de instalações elétricas de média ou alta tensão, composto por equipamentos, condutores e acessórios destinados à proteção, medição, manobra e transformação de grandezas elétricas. O principal equipamento dessas instalações é o transformador, que altera a tensão elétrica por meio de um campo magnético, permitindo que a energia em corrente alternada (CA) de uma determinada frequência e tensão seja convertida para outro nível de tensão, conforme explica Chapman (2013). O projeto e operação de subestações devem seguir normas rigorosas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), principalmente as NBR 5410 e NBR 14039, assim como a Norma Regulamentadora NR 10, do Ministério do Trabalho e Emprego, que rege a segurança em instalações e serviços em eletricidade. Além das normas nacionais, a norma internacional IEC 60364 também é aplicada, assegurando que os projetos de subestações atendam a padrões internacionais de segurança e eficiência.
De acordo com a NBR 5410, da Associação Brasileira de Normas Técnicas, são definidas as condições mínimas necessárias para assegurar o funcionamento seguro e adequado de instalações elétricas de baixa tensão, aplicáveis a edificações de uso residencial, comercial, público e industrial (CPNSP, 2013). Esta norma foi atualizada pela última vez em 2004, com base na IEC 60364, e determina que a documentação necessária para o projeto inclua plantas, diagramas elétricos, detalhes de montagem e especificações dos equipamentos (ABNT, 2004). Já a NBR 14039 regulamenta os requisitos para instalações de média tensão, com tensão nominal entre 1,0 kV e 36,2 kV, e especifica os cuidados e procedimentos para subestações abrigadas, com classificação em subestações de distribuição, transmissão e chaveamento (ABNT, 2005).
Por sua vez, a NR 10, instituída em 1983 pelo Ministério do Trabalho e Emprego, visa estabelecer condições de segurança para os trabalhadores que lidam com eletricidade. Sua revisão de 2004 foi motivada pela alta taxa de acidentes no setor elétrico, buscando reforçar medidas de controle e sistemas preventivos para proteger a saúde dos trabalhadores (MTE, 2004). Complementando essas normas nacionais, a norma internacional IEC 60364 define os requisitos mínimos para a verificação inicial e periódica das instalações elétricas, com inspeções e testes para assegurar o funcionamento satisfatório dos equipamentos (IEC, 2006).
Além disso, as subestações elétricas são classificadas de acordo com a função que desempenham, o nível de tensão, o tipo de instalação e o grau de automação. Com relação à função, elas podem ser de manobra, transformação, distribuição, regulação de tensão e conversão. Subestações de manobra, também chamadas de seccionadoras, realizam a inserção ou retirada de partes do sistema; as de transformação alteram o nível de tensão, elevando-o ou abaixando-o; as de distribuição rebaixam a tensão para o fornecimento ao consumidor final; as de regulação ajustam o nível de tensão e o fator de potência; e as conversoras realizam a conversão de corrente alternada para contínua ou vice-versa, como em Itaipu, onde são necessárias para manter as frequências padrão do Brasil e Paraguai (SUBESTAÇÃO, 2018).
Em relação ao nível de tensão, as subestações podem ser classificadas como de Média Tensão (menos de 35 kV), Alta Tensão (entre 35 kV e 230 kV), Extra Alta Tensão (entre 230 kV e 765 kV) e Ultra Alta Tensão (acima de 765 kV). Já a classificação pela instalação abrange subestações em pátio aberto, que são instaladas ao ar livre; abrigadas, que ocupam áreas menores e ficam em locais internos; e blindadas, que são abrigadas e utilizam proteção especial em óleo e gás para otimizar o espaço.
Por fim, as subestações podem ser assistidas, semiautomáticas ou automatizadas conforme o nível de automação. Subestações assistidas necessitam de operadores presenciais e geralmente são mais antigas; as semiautomáticas possuem algum nível de automação e intertravamentos, mas ainda precisam de operador; e as automatizadas são totalmente monitoradas por sistemas supervisórios, dispensando a presença de um operador no local.
Subestação abrigada (MESH,2022)
Subestação blindada
Subestação em pátio aberto
De acordo com a Equatorial, os clientes conectados ao sistema de energia elétrica da distribuidora, que são atendidos com tensões de fornecimento de 13,8 kV, 23,1 kV e 34,5 kV e faturados pelo Grupo “A” nos Subgrupos A4 (13,8 kV e 23,1 kV) e A3a (34,5 kV), ou faturados como optantes do Grupo “B”, são classificados como consumidores de média tensão pela concessionária. Para a elaboração do projeto de ligação desses consumidores, são exigidos diversos elementos técnicos.
Primeiramente, o projeto deve incluir a identificação, contendo o nome do projeto, proprietário, projetista ou responsável técnico, escala, número da página, além do registro no CREA ou CFT e a assinatura eletrônica do responsável técnico. A legenda do projeto deve apresentar toda a simbologia utilizada, e, quando necessário, incluir notas adicionais. Em relação às plantas, é necessário fornecer planta baixa e vistas (frontal e lateral) da subestação, indicando dimensões, distâncias, afastamentos, localização dos compartimentos (de medição, manobra/proteção e transformação) e seus equipamentos, além de detalhes de barramentos e condutores, conforme os desenhos normativos da concessionária. Cortes detalhados dos compartimentos e componentes devem facilitar a visualização dos elementos, com informações específicas sobre o cavalete de medição, caixa de medição, aberturas de ventilação, grades, cercas, portas, painéis e cubículos. A planta da malha de aterramento, com detalhes da malha, caixa de inspeção e conexões das hastes nos cabos, também deve ser apresentada.
O projeto exige um diagrama unifilar completo, incluindo todos os equipamentos da instalação, desde a conexão com a rede da concessionária até os dispositivos de medição e proteção. O diagrama deve detalhar valores nominais, como bitola, potência ativa, reativa e aparente, tensão, corrente, corrente de curto-circuito, faixa de ajustes e pontos de regulação. Deve incluir todos os componentes envolvidos, como terminações, para-raios, condutores, chaves, disjuntores, relés, transformadores de corrente e de potencial, medidores, no-breaks, bancos de capacitores, barramentos, geradores, quadros e painéis. Quando a instalação incluir disjuntor de média tensão ou gerador particular, é necessário fornecer diagramas funcionais adicionais que detalhem as conexões e comunicações entre disjuntores, chaves, relés, no-breaks, USCA (Unidade de Supervisão e Controle Automático) e intertravamentos eletromecânicos. Além disso, o quadro de cargas deve ser incluído na mesma prancha do diagrama unifilar, juntamente com a lista de materiais, especificando e quantificando todos os materiais necessários para a execução do projeto. Por fim, devem ser apresentadas fotografias em diferentes ângulos e perspectivas do local de instalação, mostrando a subestação ou os postos de transformação, bem como o ponto de conexão com a rede da concessionária, garantindo o cumprimento dos requisitos estabelecidos pelas normas da distribuidora.
Os equipamentos necessários em uma subestação elétrica são diversos e desempenham funções essenciais para garantir a segurança e o bom funcionamento do sistema. Entre os principais itens estão o ramal de ligação, cabos de alta tensão, para-raios, disjuntores, chaves seccionadoras, chave fusível e transformadores (BARROS; GEDRA, 2010). Além desses, são incluídos isoladores e muflas, que contribuem para a segurança e eficiência da instalação. Os transformadores utilizados podem ser classificados em transformador principal, transformador de potência e transformador de corrente (COSTA, 2011). O transformador de corrente (TC), por exemplo, é fundamental para registrar com precisão os valores de corrente, protegendo aparelhos de medição e garantindo a segurança do sistema, sem a necessidade de que a corrente nominal corresponda à carga do circuito.
Já o transformador de potencial (TP), utilizado em sistemas acima de 600V, reduz a tensão de alta para baixa, permitindo medições precisas e seguras. Os dispositivos seccionadores, como os disjuntores e as chaves seccionadoras, são responsáveis pela abertura e fechamento de circuitos elétricos, conforme definido pela NBR 6935, e permitem conduzir correntes sob condições normais e anormais, como em situações de curto-circuito.
Em suma, os para-raios desempenham um papel crucial ao limitar surtos de tensão transitória, protegendo os equipamentos contra danos causados por descargas elétricas. Para isso, os para-raios de óxidos de zinco, constituídos de material polimérico e com interior preenchido de porcelana, funcionam como isoladores e condutores, descarregando parte da corrente de forma segura.
Os materiais empregados na construção e montagem das instalações elétricas de uma subestação devem ser de boa qualidade e que atendam aos requisitos de segurança da concessionária. Portanto, a Equatorial (exemplo de distribuidora de energia) disponibiliza em seu site, todos materiais e fornecedores homologados garantindo a confiança do cliente na hora da compra de materiais elétricos.
Mas antes de tudo, é importante ressaltar que um projeto de subestação bem elaborado, deve passar antes por etapas como de projeto básico e projeto executivo a fim de garantir material bem dimensionado, de forma bem criteriosa e especificada de todos os equipamentos pertencentes da subestação.
O projeto básico se inicia com a localização da subestação, onde será abordado fatores como: espaço necessário para uso presente e futuras ampliações, impactos ambientais da construção, estudo do solo visando ao aterramento, localização do centro de carga auxiliando nos cálculos de queda de tensão e custo total em consideração à locação do terreno e custos da infraestrutura para uso da rede elétrica.
Após esse procedimento, serão verificadas as cargas a serem alimentadas pela subestação porque com o comportamento das cargas em relação ao tempo, poderemos determinar o dimensionamento dos condutores, transformadores e equipamentos pertencentes a subestação. Para isso, são feitos cálculos tais como:
- Fator de demanda (Fd): possibilitará a visualização de como a carga está se comportando durante intervalo de tempo, via equação:
- Fator de carga (Fc): quanto maior fator de carga maior será o aproveitamento de energia, ou melhor, permite mostrar como a energia elétrica está sendo utilizada com a demanda máxima num intervalo de tempo. Equação:
- Fator de potência (Fp):a relação entre potência ativa e potência aparente indica a eficiência energética do sistema, ou seja, quanto menor fator de potência, menor será o aproveitamento de energia fornecido pela concessionária. Equação:
Com base nesse estudo, o projetista define quanta energia é necessária para suprir as cargas elétricas. Sabendo disso, serão analisados o tipo, potência e dimensionamento da subestação de acordo com a demanda energética. Fatores externos como derivação da ligação à rede da concessionária local serão levados em conta assim como o tipo de cabo e tubulação a ser utilizado no projeto. Por fim, com base nesses estudos serão levantados os cálculos da potência ideal dos transformadores, chaves seccionadoras, disjuntores e equipamento de proteção da subestação como para raios e aterramento.
Uma subestação elétrica é responsável por alimentar uma variedade de cargas, dependendo de sua configuração e da tensão de saída disponível. As cargas podem ser residenciais, comerciais, industriais, de iluminação pública, de infraestrutura crítica ou de geração distribuída. As cargas residenciais incluem casas e apartamentos, com equipamentos de baixa potência conectados à rede de distribuição em baixa tensão (127V ou 220V).
Já as cargas comerciais, como lojas e escritórios, demandam maior energia e podem ser alimentadas por redes de média tensão, como 13,8kV ou 34,5kV. As cargas industriais, presentes em fábricas e usinas, exigem grandes quantidades de energia e são alimentadas por redes de média ou alta tensão, como 34,5kV, 69kV ou até 138kV.
As cargas de iluminação pública, classificadas como grupo B4, são alimentadas por subestações de distribuição em média ou baixa tensão para garantir uma distribuição eficiente. Para cargas de infraestrutura críticas, como hospitais e centros de dados, são necessárias subestações dedicadas ou com redundância para garantir alta confiabilidade e evitar falhas no fornecimento.
Cargas de serviços públicos, como sistemas de bombeamento de água e unidades de tratamento de esgoto, também dependem de subestações para funcionar adequadamente. Além disso, as cargas de geração distribuída, como usinas solares ou eólicas, geram energia renovável que é injetada na rede de distribuição.
2. METODOLOGIA
O método utilizado nesta pesquisa foi a revisão de literatura integrativa, na qual foram analisados estudos com diferentes metodologias através de leituras e interpretações com a finalidade de comparar distintos pontos de vista sobre subestações elétricas.
É essencial adotar a abordagem correta de acordo com normas técnicas como as normas da distribuidora de energia Equatorial, referente aos padrões de instalação, componentes e formas de instalação dos equipamentos. Na parte teórica, livros como Mamede e Helio Creder foram importantes para entender quais requisitos necessários para garantir o planejamento correto de uma subestação elétrica e compreender os tipos disponíveis para usar no local desejado.
Para a coleta de artigos, foram utilizados a plataforma Google Acadêmico e Scielo. Os descritores utilizados foram: “Subestação Elétrica”, “Componentes”, “Funcionamento”, ”Instalação”. O intervalo de ano da publicação foi de 2015-2024, nos idiomas Português e Inglês. Foram encontradas 7.531 publicações sobre o tema com esses filtros, das quais 10 foram incluídas neste estudo.
Como critérios de inclusão, foram utilizados artigos publicados no intervalo entre 2015 a 2024, nos idiomas português e/ou inglês e que abordavam sobre: normas de instalação e segurança das subestações e os componentes fundamentais nas instalações das subestações.
Com critérios de exclusão, foram descartados artigos que não abordavam o tema da pesquisa e estudos duplicados entre as bases de dados.
3. RESULTADOS
O objetivo desta atividade foi oferecer uma análise detalhada e abrangente sobre os tipos de subestações elétricas, tanto do ponto de vista teórico quanto prático, explorando os materiais envolvidos no processo de construção. Além disso, buscou-se revelar informações relevantes sobre a eficiência e o desempenho desses sistemas. Os principais parâmetros adotados para a análise foram extraídos do site da Equatorial Energia, que fornece acesso às normas técnicas vigentes, aos materiais homologados pela concessionária e às formas de conexão disponíveis, servindo como base para entender as melhores práticas e os requisitos técnicos para a construção de subestações.
O projeto de subestação tem como propósito informar tanto consumidores quanto construtores sobre os materiais utilizados atualmente, além de fornecer orientações baseadas nas normas técnicas específicas da concessionária estudada (Equatorial Energia). Dessa forma, busca-se esclarecer os diferentes tipos de subestações, suas características e particularidades, o que permite determinar a solução mais adequada em termos de eficiência e segurança para a construção de uma subestação elétrica. As normas técnicas da concessionária servem como um guia essencial para assegurar que a infraestrutura atenda aos requisitos exigidos, garantindo o desempenho ideal e a conformidade com as regulamentações do setor elétrico.
Em termos de resultados, observou-se que a escolha dos materiais e a conformidade com as normas de conexão têm um impacto direto na performance e na durabilidade da subestação. A pesquisa também destacou a importância da eficiência energética e da otimização das operações de manutenção, além de apresentar as melhores práticas em termos de projeto e instalação, visando sempre a segurança e a continuidade do fornecimento de energia.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A orientação sobre o projeto de uma subestação elétrica é crucial para garantir segurança, eficiência, conformidade regulatória e adequação às necessidades locais. Ela assegura que as subestações atendam às normas técnicas exigidas pelas concessionárias de energia, minimizando riscos e garantindo a proteção dos usuários. Além disso, contribui para a eficiência energética, reduzindo custos operacionais e impactos ambientais. A orientação também permite que o projeto seja adaptado às características da localidade, considerando fatores como demanda de energia, clima e infraestrutura local. Essa orientação facilita a manutenção, operação e futuras expansões, assegurando uma rede elétrica mais confiável e sustentável. Com o avanço das tecnologias, também possibilita a integração com redes inteligentes (smart grids), melhorando o controle e a gestão do fornecimento de energia. Em suma, ela é essencial para a construção de infraestruturas elétricas seguras, eficientes e preparadas para o futuro.
As mudanças nas normas técnicas de uma distribuidora de energia pode provocar uma série de adaptações e desafios para todas as partes envolvidas no sistema elétrico. Embora as alterações busquem melhorar a qualidade, eficiência e sustentabilidade do fornecimento de energia, elas podem gerar custos adicionais, requerer novos investimentos em infraestrutura e treinamento, e exigir ajustes operacionais significativos. Para os consumidores, as mudanças podem impactar a forma como recebem o serviço, a qualidade da energia fornecida e, possivelmente, os custos das tarifas. Portanto, é fundamental que todos os envolvidos estejam preparados para lidar com as novas exigências e garantir uma transição suave e eficiente.
5. REFERÊNCIAS
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1Bacharel do Curso Superior de Engenharia Elétrica do Centro Universitário Santo Agostinho (UNIFSA-PI). E-mail: matecfelipe@gmail.com
2Docente do Curso Superior de Engenharia Elétrica do Centro Universitário Santo Agostinho (UNIFSA-PI. E-mail: rodrigo@unifsa.com.br