Equipamentos Alta Tensão - Apostilas - Engenharia Elétrica Part1, Notas de estudo de Eletrotécnica

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Autor RICHARD ROBERTO CAIRES

EQUIPAMENTOS ALTA TENSÃO

CENTRO UNIVERSITÁRIO SALESIANO DE SÃO PAULO

CAMPINAS - São Paulo – Brasil 2006

RICHARD ROBERTO CAIRES

EQUIPAMENTOS ALTA TENSÃO

CENTRO UNIVERSITÁRIO SALESIANO DE SÃO PAULO

CAMPINAS - São Paulo – Brasil

Relatório de estágio curricular apresentado para conclusão na graduação em Engenharia Elétrica no Centro Universitário Salesiano de São Paulo, sob orientação do prof. Luiz Reinaldo Pizzini.

Também veremos os tipos de ensaios elétricos que são realizados junto aos fornecedores destes equipamentos que foram mencionados. São ensaios que visam verificar se os equipamentos estão aptos a atender aos requisistos especificados. Ensaios que são estabelecidos por normas técnicas referentes a cada tipo de equipamento.

SUMÁRIO

Breve Histórico da Empresa Furnas Centrais Elétricas S/A:

FURNAS atua há mais de 49 anos nas áreas de geração, transmissão e comercialização de energia elétrica. A Empresa garante o fornecimento de energia em uma região onde estão situados 51% dos domicílios brasileiros e que responde por 65% do PIB brasileiro. De toda energia consumida no Brasil, mais de 40% passam pelo Sistema FURNAS. A participação da Empresa no suprimento é de 97% no Distrito Federal, 92% no Rio de Janeiro; 91% em Mato Grosso; 81% no Espírito Santo; 61% em Goiás; 58% em São Paulo; 45% em Minas Gerais e 16% no Tocantins.

Fundada em 1957, para fazer frente ao acelerado processo de urbanização do país na década de 50, FURNAS conta, hoje, com um complexo de dez usinas hidrelétricas, além de Peixe Angical (TO), em construção, duas termelétricas, 19.277,5 km de linhas de transmissão e 44 subestações. A capacidade instalada da Empresa é de 9.467 MW que representa, aproximadamente, 12% do total da geração de energia do país. Através de cinco linhas de transmissão, que cruzam 900 km desde o estado do Paraná até São Paulo, FURNAS transporta 12.600 MW gerados pela maior usina hidrelétrica do mundo - Itaipu.

FURNAS é uma Empresa da administração indireta do Governo Federal, vinculada ao Ministério de Minas e Energia e controlada pela Eletrobrás. Sua missão é atuar como empresa do ciclo da energia elétrica, ofertando produtos a preços razoáveis e serviços adequados para melhorar a condição humana. A visão de FURNAS é ser empresa de excelência no ciclo de energia elétrica contribuindo para o bem-estar da sociedade, o desenvolvimento tecnológico do país e a conservação do meio ambiente.

A confiabilidade de seu parque gerador e de seu sistema de transmissão faz de FURNAS uma das maiores empresas do país. Desde 1992, a Empresa vem apresentando índices de confiabilidade em nível internacional: 99,99%. A

Gestão da Qualidade em FURNAS resultou em certificações internacionais e premiações em gestão.

O alto nível técnico de FURNAS, adquirido durante quase meio século e aprimorado pelo talento de seus empregados, tem sido levado para países da América do Sul e África. A expansão de negócios também é verificada no mercado brasileiro, consolidando a marca da Empresa como paradigma de excelência no setor energético nacional.

Vencido o desafio inicial, FURNAS tem gradativamente ampliado sua missão. A Empresa desenvolve diversos programas que visam preservar a biodiversidade dos ecossistemas. FURNAS também vem destacando-se na realização de projetos de preservação do patrimônio arqueológico, histórico e cultural, conservação de energia, em ações sociais e de apoio à cultura brasileira.

Introdução :

FURNAS conta com um complexo de dez usinas hidrelétricas e duas termelétricas, totalizando uma potência nominal de 9.467 MW. Entre os destaques está o primeiro projeto do Setor Elétrico Brasileiro desenvolvido em parceria com a iniciativa privada: a Usina de Serra da Mesa, localizada no Município de Minaçu, em Goiás.

FURNAS possui 12.277,5 km de linhas de Transmissão e 44 subestações.

Um conjunto de Linhas de Transmissão interligadas a Subestações, cortando várias regiões geográficas do Brasil, forma o que comumente se chama de Sistema de Transmissão.

O país tem hoje mais de 176 mil quilômetros de Linhas de Transmissão, o que o coloca entre os quatro maiores no ranking mundial em extensão na área de transmissão. Deste total, 19.277,5 km fazem parte da rede básica de FURNAS, configurada em linhas com tensões de 138, 230, 345, 500, 750 e ±600 kV, que passam por oito estados e o Distrito Federal.

O Sistema FURNAS é supervisionado de forma geral pelo Centro de Operação do Sistema, em articulação com os centros de operação regionais. Informações das mais remotas áreas regionais são transmitidas por meio de tecnologias de comunicação que levam a estes centros de operação um panorama on-line completo de todo o sistema, utilizando sistemas computacionais de tempo real (SOL) e tecnologias de última geração videowall.

Entre os empreendimentos construídos e operados por FURNAS destaca-se o Sistema de Transmissão de Itaipu, integrado por cinco linhas de transmissão, que cruzam 900 km desde o Estado do Paraná até São Paulo. Este sistema possui três linhas em corrente alternada 750 kV e duas linhas em corrente contínua ± 600 kV, necessárias para contornar o problema de diferentes freqüências utilizadas por Brasil e Paraguai.

1. PARA RAIOS

Um pára-raios a ZnO é uma estrutura bastante simplificada, formada principalmente pelo empilhamento de elementos resistivos não-lineares, conhecidos como varistores, envoltos por um invólucro (polimérico ou porcelana) que garante a estanqueidade (não permitindo principalmente a entrada de umidade e poluentes). A configuração do invólucro proporciona uma maior isolação externa, corrente de fuga pequena e a sua utilização ao tempo. Nos sistemas de transmissão, os pára-raios de ZnO são diretamente instalados entre a fase e terra. Desse modo, uma pequena corrente de fuga para terra circula continuadamente pelos varistores de ZnO. Para-raios em operação estão sujeitos a diversos fatores que podem influenciar no seu desempenho, diminuir a sua vida útil ou degradar os seus elementos. Dentre estes fatores temos influência da tensão de operação; descargas de longa duração ou de alta intensidade com curta duração; reação química com a atmosfera envolvida, degradação do circuito de equalização; descargas internas (corona); circulação permanente da corrente de fuga pelos varistores, esforços térmicos, etc.

Fig.1 - Para-Raios de Óxido de Zinco

Após a interrupção, o disjuntor deve isolar e resistir às tensões do sistema. Por fim, o disjuntor deve atuar quando comandado, ou seja, deve haver um alto grau de confiabilidade.

Alguns tipos de disjuntores de alta potência:

Disjuntor a grande volume de óleo,

Disjuntor a pequeno volume de óleo,

Disjuntor a ar comprimido,

Disjuntor a vácuo,

Disjuntor a hexafluoreto de enxofre (SF6).

2.1 A INTERRUPÇÃO DA CORRENTE ELÉTRICA

Os contatos de um disjuntor quando fechados sob pressão e conduzindo uma corrente, apresenta uma pequena resistência elétrica que é função entre outros fatores, da pressão mútua entre eles. A diminuição da pressão aumenta a resistência.

No instante da separação dos contatos a pressão é praticamente nula e por conseguinte a resistência é alta. A corrente elétrica flui através de minúsculas superfícies de contato formado pelas últimas irregularidades de superfícies a se tocarem. Com a diminuição da área de passagem, a densidade de corrente aumenta rapidamente, resultando na elevação da temperatura das superfícies dos contatos, que produzem termoemissão de elétrons a partir do contato negativo, iniciando assim o processo de ionização do dioelétrico pelo qual se formará o arco e conseqüentemente a passagem da corrente nos contatos agora separados. A corrente do arco é constituída assim por elétrons que saem do catado dirigindo-se ao anodo. A desionização consiste no restabelecimento das condições iniciais do dielétrico ionizado. A interrupção de circuitos de corrente alternada significa extinguir um arco em um meio dielétrico onde a taxa de desionização seja maior que a taxa de ionização. A desionização ao longo do caminho do arco aumenta a

cada meio ciclo até que seja suficiente para que o arco possa ser extinto na próxima passagem da corrente por zero.

O arco em um meio ambiente sob alta pressão, presente nos disjuntores a sopro magnético (ar), ar comprimido (ar), SF6 e óleo isolante (hidrogênio resultante da queima do óleo) estabelece-se em uma coluna cilíndrica de gás ionizado ou plasma cuja temperatura pode variar de 4000 a 35000º k, dependendo das condições do dielétrico e da corrente.

O meio mais eficaz de desionização da zona do arco num disjuntor é a substituição do gás ionizado por novas quantidades de gás desionizado, geralmente adequado. Durante o processo de ionização, o grau de concentração de íons não é uniforme e as cargas tendem a fluir das regiões de alta para as de baixa concentração de íons. Este efeito de difusão pode resultar numa rápida desionização da zona de arco quando o gás nesta região estiver em estado de agitação. Nas temperaturas do arco, as altas velocidades das moléculas produzem choques entre elas e entre os átomos ocasionando sua decomposição em íons e elétrons livres, processo este conhecido por ionização por choque. De forma inversa, o resfriamento contribui para a desionização da zona do arco.

2.2 TÉCNICAS DE INTERRUPÇÃO

Os disjuntores com interrupção no ar livre são os mais simples e, historicamente, foram os primeiros aparelhos a serem utilizados. Para atender o crescimento das potências de interrupção e a elevação dos níveis de tensão nos sistemas elétricos, surgiram os disjuntores a óleo mineral isolante.

Na década de 30 apareceram os disjuntores a ar comprimido, como melhor técnica de extinção do arco elétrico na alta tensão, e a conseqüente melhoria de segurança com seu emprego. Á época foram registrados vários acidentes graves provocados pela explosão e incêndio nos disjuntores a óleo. Em 1953, os Estados Unidos construíram o primeiro protótipo do disjuntor em SF6 para aplicação em alta tensão. Já os disjuntores a vácuo foram fabricados no início dos anos 70, com boa aceitação para utilização em média tensão. A nova expectativa são disjuntores

Fig.2 - Câmara de extinção de sopro axial.

As câmaras de sopro transversal os gases formados pelo arco aumentam a pressão em seu interior, sendo obrigados a passar através de aberturas para alívio desta sobrepressão. O arco é forçado contra as paredes resfriadas da câmara de extinção sofrendo um alongamento. O arco é extinto quando a corrente, ao passar por um zero, não libera mais energia.

Nas câmaras de sopro axial a pressão dos gases gerados com o arco provoca o fluxo múltiplo de óleo ao longo de toda a circunferência da câmara, removendo os gases ionizados da região entre os contatos através de aberturas. Neste tipo de câmara o arco é mantido em uma posição axial da câmara até ser extinto.

Existem duas categorias de disjuntores a óleo: os disjuntores a grande volume de óleo e disjuntores a pequeno volume de óleo.

Fig.3 - Disjuntor GVO de 138kV.

2.4 DISJUNTORES A AR COMPRIMIDO

Os disjuntores a ar comprimido utilizam o ar comprimido como meio de extinção do arco elétrico, isolamento e acionamento dos contatos móveis.

Há dois tipos de câmaras de extinção utilizadas nos disjuntores a ar comprimido: as câmaras de sopro axial numa única direção e as de sopro axial em duas direções.

As boas características dielétricas do ar comprimido e as de interrupção dos disjuntores a ar comprimido (velocidade, intensidade do sopro) tornam estes disjuntores adequados a grandes capacidades de interrupção.

Os pólos dos disjuntores a ar comprimido são individuais e de construção modular. Através de combinações de idênticas unidades de câmara de interrupção, permite-se sua utilização em diferentes classes de tensão e de capacidades de interrupção, baseado no princípio de múltipla interrupção com controle da distribuição da tensão nas várias câmaras de interrupção do pólo. Este arranjo depende do número de cabeças de interrupção suportadas por uma coluna isolante: formação “T” no caso da coluna isolantes suportar uma cabeça de interrupção com duas câmaras de extinção ou formação “Y” no caso da coluna isolante suportar duas cabeças de interrupção com duas câmaras de extinção cada uma delas. Algumas vantagens da construção modular são:

Menor número de isoladores de porcelana requerido, uma vez que uma coluna suporta duas ou quatro câmaras de extinção.

Peças sobressalentes idênticas para todos os disjuntores.

Facilidade de montagem.

Possibilidade de modificações para aumento da capacidade de interrupção ou da corrente nominal.

Fig.6 - Disjuntor a ar comprimido pólos modulares “Y”e “T”.

Um pólo de disjuntor é constituído, basicamente, das cabeças de interrupção, colunas isolantes suportes, reservatórios de ar comprimido, cubículo de controle e comando e, sistema de transmissão do comando de acionamento dos pólos.

Uma cabeça de interrupção possui, simetricamente disposta, duas câmaras de extinção principais, e, em paralelo com as câmaras auxiliares com resistores de abertura ou de fechamento com seus respectivos contatos, caso sejam necessárias.

As câmaras auxiliares de fechamento inserem no sistema seus resistores durante alguns milisegundos, antes do fechamento dos contatos principais, a fim de, principalmente, amortecer as sobre tensões decorrentes de energização de linhas de transmissão. Por suas vez, as câmaras auxiliares de abertura inserem seus resistores no sistema alguns milisegundos após a abertura dos contatos principais para melhorar o desempenho do disjuntor na abertura de linhas em vazio, chaveamento de bancos de capacitores e interrupção de faltas