O que é uma subestação elétrica

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Introdução

Na intrincada rede de geração e distribuição de energia, as subestações eléctricas desempenham um papel fundamental, garantindo o fluxo contínuo de electricidade desde a sua fonte até às nossas casas e empresas. Esses componentes cruciais atuam como intermediários, transformando tensões, regulando a energia e protegendo a integridade da rede. Este guia completo investiga o mundo das subestações elétricas, destacando suas funções, componentes e importância em nossa infraestrutura elétrica moderna.

Compreendendo a Essência das Subestações Elétricas

A. Definição de subestações eléctricas

1. Desvendando o propósito das subestações elétricas

Uma subestação elétrica é uma estação subsidiária de um sistema de geração, transmissão e distribuição de eletricidade onde a tensão é transformada de alta para baixa ou vice-versa por meio de transformadores. As subestações facilitam a transmissão e distribuição eficiente de energia elétrica, adaptando os níveis de tensão entre os vários segmentos da rede.

Sem subestações, a eletricidade teria de ser gerada no mesmo nível de tensão consumido em residências e empresas. Isto é altamente impraticável, pois a eletricidade de baixa tensão não pode ser transmitida por longas distâncias sem perdas substanciais de energia. As subestações permitem que a eletricidade gerada seja “aumentada” para altas tensões para transmissão econômica em longas distâncias. Mais perto dos pontos de consumo, as subestações reduzem ou “reduzem” as tensões para níveis mais seguros e adequados para distribuição.

Ao transformar os níveis de tensão em pontos estratégicos, as subestações permitem que grandes quantidades de energia sejam transmitidas de forma eficiente por grandes distâncias e permitem a entrega segura e confiável aos usuários finais. Em essência, servem como intermediários vitais entre as centrais eléctricas e os consumidores.

2. Explorando os Tipos de Subestações Elétricas

Existem vários tipos diferentes de subestações elétricas projetadas para cumprir funções distintas na transmissão e distribuição de eletricidade:

a. Subestações Elevatórias: Elevando Tensão para Transmissão

As subestações elevadoras estão localizadas em usinas de energia e aceitam a eletricidade de tensão relativamente baixa produzida pelos geradores. Os transformadores elevadores dentro da subestação aumentam esta tensão para níveis elevados, normalmente na faixa de 110-765 quilovolts (kV) para transmissão. Isso permite que a energia seja transmitida economicamente por longas distâncias através de linhas de transmissão de alta tensão com perdas mínimas.

b. Subestações abaixadoras: redução de tensão para distribuição

As subestações abaixadoras estão localizadas em pontos da rede de transmissão próximos aos centros de carga e atuam para reduzir as altas tensões de transmissão de entrada para níveis mais baixos adequados para distribuição. Normalmente é de 13,8 a 34,5 kV para distribuição a usuários industriais ou subestações de comutação urbanas. Outras reduções de tensão acontecem nas subestações de distribuição.

c. Estações de comutação: desviando o fluxo de energia

As estações de comutação geralmente não modificam os níveis de tensão, mas permitem que os operadores controlem, comutem e direcionem remotamente os fluxos de energia de linhas de transmissão próximas para rotas diferentes. Ao abrir e fechar várias conexões de linhas de transmissão, as estações de comutação permitem o balanceamento de carga em linhas congestionadas e o roteamento de contingência de energia em caso de interrupções de equipamentos a jusante.

d. Subestações de distribuição: entregando energia aos usuários finais

As subestações de distribuição são a etapa final no fornecimento de eletricidade utilizável de baixa tensão para residências e empresas. Eles recebem energia de subestações redutoras de área de 13,8-34,5 kV e utilizam transformadores de distribuição para reduzir ainda mais a tensão para 120/240 V para uso regular. As subestações de distribuição também podem abrigar equipamentos de comutação automática para redirecionar a energia e minimizar os impactos de interrupções em caso de falhas ou sobrecarga.

B. Aprofundando os Componentes das Subestações Elétricas

As subestações elétricas contêm uma série de equipamentos especializados para facilitar suas funções vitais na transformação, comutação, proteção e controle de energia. Os principais componentes encontrados nas subestações incluem:

1. Transformadores: o coração da transformação de tensão

Os transformadores são a tecnologia definidora nas subestações, permitindo a função essencial de alterar tensões entre diferentes segmentos da rede. Os transformadores de potência alteram a tensão usando uma relação entre o número de voltas em seus enrolamentos de entrada e saída. Os transformadores vêm em vários tamanhos e designs para permitir mudanças incrementais de tensão, com capacidades que variam de alguns kVA a mais de 1.500 MVA em subestações de muito alta tensão.

2. Disjuntores: Guardiões da Rede

Os disjuntores fornecem funções críticas de monitoramento, proteção e comutação em subestações. Os transformadores de corrente permitem que os disjuntores monitorem o fluxo de corrente nas linhas de energia conectadas. Se ocorrerem falhas, os disjuntores abrem rapidamente para isolar as seções problemáticas e evitar interrupções em maior escala. Os disjuntores também facilitam a manutenção do equipamento, fornecendo um meio seguro de desenergizar e reenergizar circuitos.

3. Aparelhos de distribuição: roteamento de energia com precisão

Aparelhos de manobra referem-se a componentes como chaves seccionadoras e sistemas de barramentos usados para direcionar de forma inteligente a energia dentro da subestação para as linhas e transformadores apropriados. O switchgear permite que os operadores configurem esquemas otimizados de balanceamento de carga e comutação para garantir o fornecimento confiável de energia.

4. Relés de Proteção: Proteção Contra Falhas

Os relés de proteção monitoram constantemente os parâmetros da rede, como corrente, tensão e frequência, em pontos vulneráveis ao longo das linhas de transmissão e distribuição. Quando problemas como sobrecarga ou falhas de aterramento são detectados, os relés acionam os disjuntores para isolar rapidamente as seções problemáticas antes que possam ocorrer danos graves. Isto evita que problemas localizados se transformem em apagões em grande escala.

5. Sistemas de Controle: Orquestrando o Fluxo de Potência

Os sistemas de controle automatizados formam o cérebro por trás da operação da subestação, monitorando o status do equipamento e os parâmetros da rede em tempo real por meio de sistemas SCADA. Os controles permitem o ajuste automático inteligente de transformadores, a comutação de circuitos e o acionamento de relés de proteção para responder rapidamente às flutuações e manter o fornecimento de energia sincronizado e otimizado.

C. Desvendando as funções das subestações elétricas

As subestações elétricas desempenham uma série de funções indispensáveis que permitem o fluxo em massa de eletricidade de geradores distantes para residências e empresas próximas:

1. Transformação de Tensão: Adaptação de Energia para Transmissão e Distribuição

O objetivo principal das subestações é a transformação de tensão entre diferentes segmentos da rede por meio de transformadores. Isso permite que a energia gerada seja aumentada para tensões ultra-altas, para que possa ser transportada por centenas de quilômetros através de linhas de transmissão com perdas mínimas. A redução local da tensão permite então o fornecimento seguro de energia utilizável aos usuários finais.

2. Regulação de energia: manutenção da estabilidade na rede

Juntamente com o controle de tensão através de transformadores, as subestações fornecem regulação de potência ativa para estabilizar a quantidade de potência real e reativa que flui nas linhas de transmissão. Isto mantém tensões, cargas e fatores de potência otimizados em toda a rede interconectada.

3. Proteção e isolamento: prevenção de interrupções e aumento da segurança

As subestações empregam relés de proteção automáticos e disjuntores para monitorar constantemente as condições e isolar instantaneamente seções defeituosas das linhas de transmissão e distribuição. Ao confinar os problemas antes que eles possam se propagar, as subestações evitam que problemas localizados se transformem em apagões generalizados.

4. Controle de fluxo de energia: direcionando eletricidade para seu destino

Os equipamentos de comutação e os sistemas de controle inteligentes dentro das subestações permitem um controle preciso em tempo real sobre o roteamento de energia. Isto garante que a eletricidade seja direcionada de forma inteligente para onde é necessária e permite reconfigurações rápidas e balanceamento de carga em resposta às mudanças na demanda.

Tipos de subestações

Existem vários tipos principais de subestações elétricas projetadas para servir funções distintas:

1. Subestações elevadoras

As subestações elevadoras contêm transformadores elevadores que aumentam a tensão da eletricidade gerada pelas usinas de energia para níveis adequados para uma transmissão eficiente de longa distância. As saídas de tensão típicas variam de 110 kV a 765 kV. Algumas subestações de ultra-alta tensão podem aumentar tensões de até 800 kV para transmissão de baixas perdas. Essas subestações estão localizadas em usinas geradoras.

2. Subestações rebaixadoras

As subestações abaixadoras utilizam transformadores abaixadores para reduzir as altas tensões de transmissão de entrada para níveis mais baixos apropriados para distribuição aos usuários finais. As tensões de saída estão geralmente na faixa de 13,8 kV a 34,5 kV. As subestações abaixadoras estão situadas em pontos da rede de transmissão próximos aos centros de carga.

3. Postos de comutação

As estações de comutação não alteram os níveis de tensão, mas permitem que os operadores controlem de forma flexível a direção dos fluxos de energia entre as várias linhas de transmissão. Ao abrir e fechar diferentes conexões, as estações de comutação equilibram as cargas e permitem o roteamento contingencial de energia.

4. Subestações de distribuição

As subestações de distribuição representam a etapa final no fornecimento de eletricidade utilizável para residências e empresas. Os transformadores de distribuição reduzem ainda mais a tensão de entrada para 120/240 V para uso regular. As subestações de distribuição também facilitam o balanceamento automático de carga e o isolamento de falhas nas redes de distribuição locais.

Equipamentos em uma Subestação de Energia Elétrica

As subestações elétricas contêm uma variedade de equipamentos especializados para realizar funções essenciais de transformação de energia, comutação, monitoramento, controle e proteção:

1. Transformadores

Conforme já destacado, os transformadores permitem a conversão vital dos níveis de tensão entre diferentes partes da rede. As relações de capacidade e tensão dos transformadores da subestação são selecionadas com base na tensão operacional das linhas conectadas e nos níveis de carga.

2. Disjuntores

Os disjuntores fornecem monitoramento, comutação e proteção inteligentes. Os transformadores de corrente permitem que os disjuntores monitorem as condições. Os relés dentro dos disjuntores os desarmam durante faltas para evitar danos. Os disjuntores também facilitam a manutenção do equipamento através da desconexão segura.

3. Aparelhagem de comutação

Dispositivos de manobra, como chaves seccionadoras e sistemas de barramentos, direcionam os fluxos de energia entre os alimentadores de entrada e os transformadores com flexibilidade. O painel permite conexões reconfiguráveis otimizadas para conversão adequada de tensão e balanceamento de carga.

4. Relés de proteção

Os relés de proteção monitoram constantemente a tensão, a corrente e a frequência em pontos vulneráveis ao longo das linhas de transmissão e distribuição da subestação. Os relés isolam os problemas rapidamente, acionando a abertura dos disjuntores quando os limites são excedidos.

5. Sistemas de controlo

Sistemas de controle como SCADA permitem operação automatizada inteligente de equipamentos de subestação. Os controles monitoram o status do equipamento e os parâmetros da rede em tempo real e executam respostas como ajustes de tap, comutação e relés de proteção.

6. Barramentos

Barramentos são condutores grossos de baixa impedância que servem como backbone para distribuição de energia dentro da subestação, permitindo conexões flexíveis entre equipamentos. Barramentos isolados com classificação de até 1.200 kV são comuns em subestações de ultra-alta tensão.

7. Isoladores

Isoladores ou chaves seccionadoras fornecem um espaço de ar visível quando abertos para isolar claramente o equipamento para manutenção. Os isoladores permitem que o trabalho prossiga com segurança em equipamentos desenergizados e desconectados dos barramentos.

O papel da IoT em uma subestação elétrica

A integração de soluções inteligentes de Internet das Coisas (IoT) em subestações elétricas permite recursos aprimorados de monitoramento, controle e automação por meio de sensores conectados, software e análises:

1. Monitoramento e diagnóstico em tempo real

Os sensores IoT colocados nos equipamentos da subestação facilitam o monitoramento contínuo em tempo real de parâmetros como tensão, corrente e temperatura do transformador a partir de uma sala de controle central. Os operadores ganham maior visibilidade sobre a saúde dos ativos e as condições da rede.

2. Manutenção Preditiva

O monitoramento em tempo real combinado com software analítico baseado em IA permite a manutenção preditiva, identificando falhas nos equipamentos antes que elas ocorram. Isso muda a manutenção da subestação de reativa para proativa.

3. Segurança reforçada

Sistemas habilitados para IoT, como pesquisas termográficas por drones e soluções de controle de acesso, aumentam a segurança do operador ao identificar riscos como pontos de acesso ou invasões sem envolvimento humano direto.

4. Melhoria da eficiência

Os insights de dados produzidos pela análise de IoT levam a uma maior eficiência operacional por meio do desempenho otimizado do equipamento, solução de problemas precisa e tomada de decisão informada.

5. Otimização da grelha

A conectividade expandida e a conscientização fornecidas pelos dispositivos e software IoT permitem uma otimização mais inteligente da rede. Os ajustes e comutação dos equipamentos da subestação podem ser automatizados de forma inteligente à medida que as condições mudam.

IoT da Alotcer em ação

IoT da Alotcer em ação

Como líder da indústria de automação de subestações eléctricas, Alotcer implementa soluções IoT de ponta, concebidas para melhorar o desempenho das subestações:

1. Estudos de caso

Melhor manutenção preditiva da concessionária brasileira para economia de custos de um fabricante norte-americano de transformadores

Da manutenção preditiva aprimorada de uma concessionária brasileira à economia de custos de um fabricante de transformadores norte-americano, os estudos de caso da Alotcer demonstram resultados comprovados em diversas aplicações.

2. Testemunhos de clientes

Avaliações elogiosas dos clientes destacam o verdadeiro valor das soluções da Alotcer, como uma operadora de transmissão dos EUA alcançando 99,995% de confiabilidade com consciência situacional e controle otimizados por meio do ecossistema IoT da subestação da Alotcer.

3. Prémios e reconhecimentos do sector

As principais homenagens do setor, como o ESNA Substation IoT Innovation Award e o BloombergNEF Pioneer Prize consolidam a posição da Alotcer na vanguarda da automação de subestações elétricas e da adoção da IoT. Os clientes confiam nas soluções premiadas e de ponta da Alotcer.

Perguntas frequentes sobre subestações eléctricas

1. Qual é a diferença entre uma subestação elevadora e abaixadora?

As subestações elevadoras usam transformadores para aumentar a tensão da eletricidade gerada para níveis elevados necessários para a transmissão econômica de longa distância. As subestações abaixadoras, por outro lado, reduzem as altas tensões de transmissão de entrada para níveis mais baixos apropriados para distribuição aos usuários finais.

2. Como os disjuntores protegem a rede elétrica?

Os disjuntores monitoram constantemente as condições usando transformadores de corrente. Se ocorrerem anormalidades como sobrecargas ou curtos-circuitos, os disjuntores abrem rapidamente para isolar a área problemática. Isso limita os problemas antes que eles possam se propagar e causar interrupções generalizadas.

3. Qual o papel dos relés de proteção nas subestações elétricas?

Os relés de proteção fornecem monitoramento inteligente em pontos vulneráveis ao longo das linhas de transmissão e distribuição. Quando os relés detectam condições perigosas como baixa tensão, alta corrente ou flutuações de frequência, eles acionam disjuntores para abrir e isolar o problema.

4. Como os sistemas de controle gerenciam o fluxo de energia nas subestações?

Sistemas de controle como SCADA coordenam a operação de equipamentos usando dados em tempo real de sensores e análises automatizadas. Os controles regulam de maneira ideal os transformadores, alternam circuitos de maneira inteligente e executam respostas de proteção, como disparo de relés, para manter o fluxo de energia sincronizado.

5. Que medidas de segurança existem em torno das subestações elétricas?

As subestações têm medidas de segurança rigorosas, como sinais de aviso, acesso restrito, isolamento do equipamento e ligação à terra, para impedir a entrada não autorizada e proteger o pessoal. Os trabalhadores também usam equipamentos de proteção especializados ao realizar manutenção nas subestações.

Conclusão

As subestações elétricas, muitas vezes esquecidas, mas inegavelmente essenciais, constituem a espinha dorsal da nossa infraestrutura elétrica moderna. Transformam tensões, regulam a energia e protegem a rede, garantindo o fluxo contínuo de eletricidade que alimenta as nossas casas, empresas e indústrias. À medida que abraçamos fontes de energia renováveis e exploramos tecnologias de redes inteligentes, o papel das subestações eléctricas só crescerá em importância, garantindo uma rede eléctrica sustentável e resiliente para o futuro.