2 de agosto de 2021

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Projeto elétrico e procedimento de conexão de usina solar em média tensão

Aspectos observados pela concessionária na avaliação do projeto elétrico para a conexão de uma usina FV ao sistema de distribuição de média tensão

Autor: 2 de março de 2021julho 27th, 2021Artigos técnicos
Projeto elétrico e procedimento de conexão de usina solar em média tensão

A concepção de uma usina fotovoltaica passa por várias etapas, desde o dimensionamento dos módulos, inversores, circuitos de CA e CC, transformadores etc, culminando com o projeto do ponto de conexão.  No ponto de conexão é feita a interligação física entre o sistema da distribuidora e o da usina, portanto o projeto elétrico deverá passar pela aprovação da concessionária de energia elétrica.  Este artigo trata dos principais aspectos observados pela concessionária na avaliação do projeto elétrico para a conexão de uma usina solar ao sistema de distribuição de média tensão.

 

 

Processo de conexão

O processo de conexão de uma usina fotovoltaica é regido pelo módulo 3 do Prodist (Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional), onde constam as etapas do processo, conforme a Tabela 1.

Tabela 1 – Etapas do processo de conexão

Tabela 1-Etapas do processo de conexão Especificamente para os empreendimentos que operam no sistema de compensação de energia, as regras são definidas pela resolução 482 da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) e são tratados como unidades consumidoras, à luz da resolução 414 da agência.  A primeira etapa do processo é iniciada pela consulta de acesso. Como produto dessa etapa a concessionária fornece o documento “informação de acesso”. Após esta etapa, o acessante faz uma solicitação de acesso, obtendo da concessionária o documento “parecer de acesso”. A Figura 1 mostra os prazos de cada etapa, para o empreendimento que pretende operar no sistema de compensação de energia.

Figura 1-Prazos (prodist - Módulo 3 - seção 3.7)

Figura 1 -Prazos (prodist – Módulo 3 – seção 3.7)

É na etapa de solicitação de acesso que o acessante deverá entregar o projeto elétrico da conexão e os estudos requeridos pela concessionária. Para isto, o acessante precisa de informações da concessionária como níveis de curto-circuito, ajustes da proteção e demais informações. Para o empreendimento que vai operar no sistema de compensação de energia, a etapa de consulta de acesso é facultativa. No entanto, não há como realizar o projeto de conexão e estudos sem ter de antemão os dados da concessionária. Assim, algumas concessionárias recomendam a etapa da consulta de acesso, apesar de facultativa. Considerando que todas as informações estão disponíveis, os documentos técnicos para a avaliação pela maioria das concessionárias são os seguintes:

  • Projeto elétrico da cabine de média tensão;
  • Memorial descritivo;
  • Diagrama unifilar;
  • Diagrama funcional do relé;
  • Estudo de proteção.

Outros estudos são solicitados por algumas concessionárias como estudo de transitório eletromecânico e eletromagnético, estudo de qualidade de energia, etc.

Visão geral da instalação

Neste artigo vamos tratar dos principais componentes de uma cabine primária, circuito de média tensão, transformador de acoplamento e itens do estudo de proteção comumente avaliados pelas concessionárias.  Todos os equipamentos e instalações devem atender a norma NBR 14039 – Instalações Elétricas em Média Tensão, o que é observado pelas concessionárias de energia elétrica no Brasil. Mas como cada concessionária tem suas particularidades, é importante observar sempre as respectivas normas, uma vez que os projetos são avaliados a partir dessas normas. Como referências, são tomadas as Figuras 2 e 3.

Figura 2 – Cabine com medição, proteção e transformação

Figura 2 – Cabine com medição, proteção e transformação

Figura 3 - Cabine com medição e proteção

Figura 3 – Cabine com medição e proteção

O ponto de conexão ou ponto de entrega é o local onde é feita a ligação elétrica da rede da concessionária com a instalação da usina. Define bem o limite de responsabilidade de fornecimento de energia pela concessionária, como visto na Figura 4.

Figura 4 - Ponto de conexão

Figura 4 – Ponto de conexão

O ramal de ligação é instalado e mantido pela concessionária. Até o ponto de entrega de energia é de responsabilidade da concessionária adotar todas as providências para viabilizar o fornecimento de energia elétrica, bem como a sua operação e manutenção. A construção, operação e a manutenção do ramal de entrada são de responsabilidade do consumidor e este é um dos pontos a serem verificados pela concessionária, como:

  1. Distância entre a cabine primária e a divisa de propriedade (medida “a”);
  2. Distância entre a cabine e o poste da concessionária (medida “b”);
  3. Dimensionamento do ramal de entrada.

Cada concessionária adota medidas específicas de instalação da cabine, bem como dimensionamento do ramal de entrada. Estas medidas dependem do tipo de cabine, se de medição, proteção e transformação ou se apenas de medição e proteção.  Além disso, considera-se se a entrada é aérea ou subterrânea. Por isso, é importante consultar a norma de fornecimento de energia elétrica em média tensão de cada concessionária. A Tabela 2 apresenta as distâncias a serem atendidas por algumas concessionárias.

Tabela 2 – Distanciamento da cabine
Empresa Tipo SE Entrada a (m) b (m)
Elektro Abrigada – M e P Aérea ≤ 10 ≤ 50
Abrigada – M, P e T Aérea ≤ 50 ≤ 50
  Subterrâneo ≤ 50 ≤ 50
CPFL     1,5 < a ≤ 3  
Copel     ≤ 10,0  
Cemig     ≤ 5  

Com relação ao ramal de entrada, a Tabela 3 apresenta o dimensionamento extraído da norma técnica da Elektro, ND.20.

Tabela 3 – Dimensionamento do ramal de entradaTabela 3 - Dimensionamento do ramal de entrada
 

Pára-raios

O dispositivo pára-raios é um equipamento de proteção requisitado pelas concessionárias e geralmente é instalado logo na entrada da cabine primária. As características são definidas pelas próprias concessionárias e dependem da classe de tensão do sistema de distribuição. A Figura 5 mostra a instalação de um jogo de pára-raios para um sistema da classe de 15 kV.

Figura 5 - Pára-raios para sistema de 15 kV

Figura 5 – Pára-raios para sistema de 15 kV

A Tabela 4 mostra as especificações do pára-raios a serem atendidas por algumas concessionárias.

Tabela 4 – Especificação de pára-raios
Empresa Sistema Tensão Nominal MCOV Corrente Nominal de Descarga Tensão Residual Máx. Tensão Residual Máx.
(kVef) (kV) (kA) (10kA – 1μs frente) (10kA – 8/20)
      (kV) (kV)
Elektro 13,8 kV 12 10,2 10    
34,5 kV 30        
Cemig 13,8 kV 12   10 48 43
  23,1 kV 21   10 84 76
  34,5 kV 30   10 120 108
CPFL 15 kV 12        
  25 kV 21        
  34,5 kV 30        
CELESC 15 kV 12   10    
  25 kV 21   10    

É importante salientar que estes são valores mínimos. No entanto, há de se tomar atenção para os sistemas em que o transformador de acoplamento está na configuração delta voltado para a rede da concessionária.  Nestes casos, na ocorrência de falta à terra, as tensões nas fases sãs tendem a atingir o mesmo valor de tensão entre fases. Por exemplo, no caso da CPFL, cuja classe de tensão é 15 kV e cujos sistemas são operados nas tensões de 13,8 kV ou 11,9 kV, uma mesma tensão nominal é adotada para ambos, ou seja, 12 kV.  Se for no sistema de 11,9 kV, a tensão de fase-terra pode atingir até 1,73 x Vfase, ou seja, 11,9 kV. Este mesmo pára-raios, no sistema de 13,8 kV, poderá ficar submetido a esta tensão de 13,8 kV, superior ao valor especificado de 12 kV. Então, neste caso, recomenda-se que para o sistema de 13,8 kV seja adotado um pára-raios de tensão superior a 13,8 kV.

Diagrama unifilar

O diagrama unifilar deve mostrar todo o circuito entre o ponto de conexão e a geração. Através deste diagrama a concessionária verifica os equipamentos elétricos da conexão, como estão interligados, os diversos equipamentos existentes e os transformadores de corrente e de potencial. O diagrama unifilar permite à concessionária a modelagem da usina para realizar os estudos de viabilidade. O diagrama unifilar deve conter:

  • Bitola dos condutores do ramal de entrada;
  • Tipo de conexão – se aérea ou subterrânea;
  • Identificação das chaves, pára-raios e disjuntor;
  • Relés e suas funções de proteção;
  • Bitolas dos cabos e barramentos de média tensão;
  • Identificação dos transformadores de corrente e de potencial.

A Figura 6 apresenta um modelo de diagrama unifilar sugerido pela Cemig em sua norma ND 5.31.

Figura 6 - Modelo de diagrama unifilar (Cemig)

Figura 6 – Modelo de diagrama unifilar (Cemig)

Diagrama funcional

O diagrama funcional mostra a atuação do relé no disjuntor de média tensão. Serve para identificar a ligação do relé, sua fonte de suprimento auxiliar e atuação do relé na bobina de abertura do disjuntor. A Figura 7 mostra um diagrama funcional do relé SEPAM.

Figura 7- Diagrama funcional do relé de proteção SEPAM

Figura 7 – Diagrama funcional do relé de proteção SEPAM

Cabine de média tensão

A cabine de média tensão, conforme mostrado nas Figuras 2 e 3, pode ser de dois tipos, com relação à sua constituição: 

  1. Setores de medição, proteção e transformação num mesmo ambiente ou;
  2. Setores de medição e proteção separados do setor de transformação.

A configuração a ser adotada dependerá do tamanho da usina, da localização da geração e dos inversores e da distância do ponto de conexão aos inversores, entre outras coisas. As cabines ainda podem ser classificadas em alvenaria ou blindadas. Tanto uma como a outra deverão atender às especificações da concessionária local, em relação aos equipamentos, aspectos construtivos, distanciamentos e itens de segurança.   A Figura 8 mostra os setores de uma cabine em alvenaria e a Figura 9 uma cabine blindada (cubículo) de medição e proteção.

Figura 8 - Setores de uma cabine primária

Figura 8 – Setores de uma cabine primária

Figura 9 - Cubículo blindado com medição e proteção

Figura 9 – Cubículo blindado com medição e proteção

No projeto de uma cabine de média tensão a concessionária verifica os seguintes itens:

  • Área reservada para o setor de medição: espaço físico;
  • Área reservada para o setor de proteção: espaço físico;
  • Barramento primário (dimensionamento, cores);
  • Chaves de manobra: dimensionamento e tipo (abertura sob carga ou não);
  • Disjuntor de entrada: especificação;
  • Relé: especificação e parametrização;
  • Transformadores de corrente e de potencial: dimensionamento;
  • Transformador de acoplamento: dimensionamento e características;
  • Aterramento da cabine: projeto.

Estas informações devem fazer parte do projeto a ser apresentado para a concessionária. Alguns equipamentos são especificados pelas próprias concessionárias e deverão estar em acordo com suas respectivas normas.

Barramentos de média tensão

Os barramentos podem ser dimensionados em função da demanda solicitada pela instalação. No caso de uma usina fotovoltaica, pela sua geração máxima. No entanto, as concessionárias especificam estes barramentos de acordo com suas normas, como visto na Tabela 5, extraída da norma ND.20 da Elektro.

Tabela 5 – Dimensionamento de barramento – Elektro

Como visto na Tabela 5, o dimensionamento é em função da demanda em kVA e um fato importante é a cor que cada barramento deve atender.

Disjuntor de média tensão

Da mesma forma que para o barramento, o dimensionamento do disjuntor deve considerar a demanda da instalação e ser capaz de interromper correntes de curto-circuito do sistema (na usina e na rede de distribuição da concessionária).  A Tabela 6 apresenta alguns itens de especificação de disjuntor de média tensão.

Tabela 6 – Especificação de disjuntores
Item Sistema 15 kV
Corrente Nominal mínima Elektro: 400 A
Cemig: 350 A
CPFL: carga
Capacidade de Interrupção 16 kA (mínimo)
 
 
Tensão Suportável nominal 34 kVef (1 minuto)  
NBI Elektro: 95 kV  
CPFL: 95 kV  

Além da especificação, a concessionária ainda verifica:

  • Sistema de interrupção: vácuo – SF6 – óleo isolante (< 1litro/pólo);
  • Alimentação da bobina de abertura;
  • Autonomia da fonte de alimentação de reserva de no mínimo 2 horas, no caso de interrupção de energia.

Em acordo com a NBR 14039, e normas das concessionárias, para a alimentação da bobina de abertura do disjuntor geral de MT devem ser previstas fontes auxiliares, adequadamente dimensionadas, visando garantir sua atuação. Estas fontes podem ser:

  • Banco de baterias e seu carregador, alimentado pelo transformador auxiliar.
  • Fonte capacitiva (trip capacitivo).

Transformador de acoplamento

Transformador de acoplamento é o elemento que compatibiliza a tensão dos sistema de distribuição da concessionária com a da geração da usina. Por exemplo: 13,8 kV/690 V. A configuração a ser adotada na instalação dependerá da concessionária. Este é um item a ser avaliado pela concessionária na apresentação do projeto, pois em função da configuração é que se adota uma ou outra função de proteção.  Por exemplo, se a configuração for delta voltado para a rede da concessionária, a função de proteção para faltas à terra a ser implementada no relé é a de sobretensão de neutro (59N). Caso seja estrela aterrada, a função de proteção a ser utilizada é a função de sobrecorrente direcional de neutro (67N). A Tabela 7 mostra as configurações para os transformadores de acoplamento de algumas concessionárias.

Tabela 7 – Configuração do transformador
Concessionária Lado Alimentador Lado Geração
(primário) (secundário)
CPFL Energia Delta A critério do acessante
COELBA Delta ou Yisol A critério do acessante
ELEKTRO (13,8 kV) Delta Yat – carga 
ELEKTRO (34,5 kV) Yat Delta – carga
CEMIG Yat por reator Yat – carga (opcional)
CEMIG Delta A critério do acessante
Com trafo de aterramento
COPEL (Até 500 kW/13,8 kV) Delta Yat
COPEL (Acima 500 kW/13,8 kV e 34,5 kV) Yat Yat
CELESC (13,8 kV – 23,1 kV e 34,5 kV) Delta A critério do acessante

Outro aspecto importante no projeto é que o transformador deve conter uma quantidade mínima de taps primários (derivações), em acordo com a norma da concessionária. A Tabela 8 mostra os requisitos da CPFL.

Tabela 8 – TAPs de transformador de acordo com os requisitos da CPFL
Sistema TAPs
  34,5 kV:  34,5 – 33,0 – 31,5 kV
  11,9 kV:  10,8 – 11,4 – 12,0 – 13,2 – 13,8  kV
  13,8 kV:  13,8 – 13,2 – 12,6 kV
  23,1 kV:  23,1 – 22,0 – 20,9 kV

Transformadores de corrente de potencial

Os transformadores de corrente (TCs) e de potencial (TPs) são os sensores que traduzem as correntes e tensões do sistema de média tensão para o relé que atua no disjuntor de média tensão. Para o  dimensionamento dos TCs é adotada a norma NBR 6856 – Transformador de corrente, enquanto para os TPs, a norma NBR 6855 – Transformador de potencial.  A metodologia para o dimensionamento destes transformadores faz parte do estudo de proteção e devem seguir as orientações de cada concessionária. No dimensionamento dos TCs a estimativa de carga no secundário pode variar entre as concessionárias. Por exemplo, a impedância do relé a ser considerada pode variar de 2 a 4 vezes.

Relé de proteção

O relé é o equipamento que atuará no disjuntor de média tensão dependendo dos sinais elétricos observados no sistema. Devem ser verificadas as funções de proteção requeridas por cada concessionária e pelo módulo 3 do Prodist, conforme mostradas na Tabela 9.

Tabela 9 – Proteções do relé de proteção
Função ANSI Denominação Obs.:
25 Relé de verificação de sincronismo ou sincronização  
27 Relé de subtensão  
32 Relé direcional de potência  
46 Relé de desbalanceamento de corrente P>500 kW
47 Relé de desbalanceamento de tensão P>500 kW
50 – 50N Relé de sobrecorrente instantâneo (de Fase – de Neutro)  
51 – 51N Relé de sobrecorrente temporizado (de Fase – de Neutro)  
51V Relé de sobrecorrente com restrição de tensão P>500 kW
59 Relé de sobretensão  
59N Relé de sobretensão de neutro  
67N Relé direcional de sobrecorrente de neutro  
67 Relé direcional de sobrecorrente  
78 Relé de medição de ângulo de fase  
81 Relé de frequência (sub ou sobre)  
s/n Anti-ilhamento  

Algumas dessas funções são exigidas nos próprios relés ou nos inversores. O estudo de proteções deve indicar a atuação destas proteções. No caso de geração fotovoltaica, em que a conexão é feita através de inversores, algumas funções devem estar nesses equipamentos, como a função 25 e a função anti-ilhamento.

Projeto de aterramento da cabine de média tensão

O projeto de aterramento de uma cabine deve atender as condições de segurança pessoal e dos equipamentos da instalação. Um projeto de aterramento deve garantir que os potenciais de passo e de toque não ultrapassem os limites de segurança. Mas é comum, quando se trata de aterramento de uma instalação, logo se pensar no valor da resistência de aterramento. A própria norma NBR 14039 não define um valor a ser atendido, porém recomenda um valor de 10 ohms. Esta prática é seguida pela maioria das concessionárias, que exigem valores de resistência de aterramento entre 10 e 25 ohms, sem se preocupar com a ocorrência de potenciais na instalação, principalmente os de toque. Na inspeção de uma cabine é exigido o laudo de aterramento para verificar se o projeto atende ao valor recomendado.

Estudo de proteção

As concessionárias solicitam dos acessantes o estudo de proteção, documento que serve para comprovar a seletividade entre as proteções da concessionária e da cabine de média tensão, bem como apresentar os ajustes das proteções solicitadas pela concessionária. Em geral, no  estudo de proteção as concessionárias avaliam:

  • Dados utilizados para modelar o sistema da distribuidora;
  • Valores de curto-circuito;
  • Ajustes da proteção do alimentador;
  • Dados do sistema da usina solar fotovoltaica;
  • Dados do disjuntor do cubículo de entrada – proteção geral;
  • Especificação do transformador de acoplamento e auxiliares;
  • Memorial de  cálculo de TCs e TPs;
  • Ponto Ansi dos transformadores da geração;
  • Proposta de ajustes do relé;
  • Curvas de proteção (coordenograma).

Uma vez propostos os ajustes devem-se construir os gráficos tempo x corrente das proteções de sobrecorrente da usina e da concessionária, ou seja, coordenogramas, como mostrado na Figura  10.

Figura 10 - Coordenograma

Figura 10 – Coordenograma

Através do coordenograma é que a concessionária verifica a construção das curvas de proteção e pode  averiguar a seletividade entre as proteções.

Referências

  • NBR 14039 – Instalações elétricas de média tensão
  • Prodist – Módulo 3
  • Resolução 482/2012 – ANEEL
  • SEPAM, catálogo de relé
  • Normas das concessionárias Cemig e CPFL
Curso usinas solares
Dirceu José Ferreira

Dirceu José Ferreira

Prof. MSc. Eng. Dirceu José Ferreira; Especialista em geração e distribuição de energia. Engenheiro Eletricista, Mestre em Engenharia Elétrica (UNICAMP), Especialista em proteção e aterramento de sistemas elétricos, Especialista em sistemas de distribuição de média tensão, experiência de 33 anos de atuação na CPFL Energia, com atuação no planejamento da expansão do sistema elétrico e estudos para conexão de geração distribuída e análise de projetos.

Um comentário

  • Rivaldo Sales disse:

    Excelente artigo, contudo alguns tópicos como por exemplo projeto de aterramento necessita ser mais discutido. Tenho conhecimento do curso de proteção do
    Eng. Dirceu, sugiro criar um curso de projeto de subestação aonde fosse apresentado todos os tópicos do artigo em questão.

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