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OBSUS) ENE op sagóeisoqns no ogScande a ogdeomaadsa SOdIHLITI SOLNIINVdINOI Se ERRATA CAPÍTULO If — p. 42, item 3.1.2, última linha: Substituir "Capítulo 1, item 2.3" por “Capítulo I, item 4.4". — p. 43, item 3,2.2€c: Substituir ,.. “ensaios de frequência industrial” por ... “ensaios de tensão aplicada de frequência industrial”. — p. 44, item 3.3.1: Substituir “Ensaio de Frequência Industrial” por “Ensaio de Tensão Aplicada de Frequéncia Industrial”. CAPITULO IX — p. 154, item 4.5.2, 3º parágrafo, 12 linha: Substituir “Capítulo I, item 2.3” por “Capítulo ), item 4.5”, CAPÍTULO X — p. 192, fig. 4 — Trocar posições das legendas “cilindro móvel” e “contato móvel”, — p. 198, fig. 11 — Substituir “I5” por “e” na figura. — p. 199, 22 coluna: Substituir (t/7) por |=1/7] na expressão para o cálculo de toc). — p. 199, 2º coluna, 3º parágrafo a partir do fundo. No trecho “.. . adotar 7 =45 ms para cálculo da componente CA .. ." Substituir “CA” por "CC". > > — p. 201, 2? coluna: Substituir Eb + Ec por Eb + Ec. — p. 202, fig. 15: Modificar a posição de (uy, ty) e fuç, t2) de forma que o segmento da envoltória entre (us, t4) e (uç, ta) tangencie a curva da tensão de restabelecimento em dois pontos diferentes (ver fig. 12 da norma IEC 56-4/1972). r — p. 206, Tabela 4: Na Nota (2), substituir “25 kV” por “52 kV”, CAPITULO XI — Vem B.1: Substituir "unidade capacitora”' por “unidade capacitiva”. — Item 9,4: Substituir ... 4,36 kV (bancos de 13,8 kV)... por 1... "4,36 kV [bancos de 13,8 kV, estrela isolada)”. : Tabeia 6, coluna referente a 13,8 kV: introduzir “Bancos em Estrela Isolada". Copyright O 1985 de FURNAS - Centrais Elétricas S.A. sr FURNAS &ittss sa UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE Reitor José Raymundo Martins Romêo Vice-Reitor Aidyl de Carvalho Preis Comissão Editorial - Presidente José Francisco Borges de Campos 621.313.12 D'Ajuz, Ary Dite Equipamentos elétricos; especificação e aplicação em subestações de alta tensão. Rio de Janeiro, FURNAS 1985, 300 p. 1. Equipamento elétrico. 2. Equipamen- to de subestação. | Resende, Fábvio Machado. Il Carvalho, Francisco M. Salgado. Il Nunes, Irapoan Garrido. |V Amon Filho, Jorge. V Dias, Luiz Eduardo Nora. VI Pereira, Marco Polo. Vil Kastrup, Oscar. VIll Morais, Sérgio Azevedo. IX Tíulo. Programação Visual Carolina Saboia de Andrade Reis Gláucia Aguiar Denise Alvarez Foto de capa Walter Firmo Revisão Maria Cristina Passos Maria José Alvarez Impresso no Brasil EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS especificação e aplicação em subestações de alta tensão ARY D'AJUZ IRAPOAN G. NUNES MARCO POLO PEREIRA FÁBIO M. RESENDE JORGE AMON FILHO OSCAR KASTRUP FILHO F. M. SALGADO CARVALHO L. E. NORA DIAS SÉRGIO DE A. MORAIS FURNAS - Centrais Elétricas S.A. foi criada, em 1957, com o fim especial de construir e operar a primeira usina no Brasil com potência superior a 1.000.000 kW, atendendo à crescente demanda de energia elétrica da Região Sudeste. Quase trinta anos se passaram, durante os quais a Empresa cresceu, enfrentou vários desafios no campo da produção e transmissão de energia elétrica e tornou-se a maior concessionária do Grupo ELETROBRAS. Com a atribuição conferida a FURNAS, de implantar vastos sistemas de transmissão em tensões pioneiras no Brasil e no mundo - 345 kV em 1963, 500 kV em 1974, 750 kV em 1983 e + 600 kV em corrente contínua em 1984 - desenvolveu-se na Empresa um apreciável cabedal de conhecimentos tecnológicos, concentrado, particularmente, ncs engenhetros e técnicos que acompanharam as diversas etapas de implantação. Há vários anos os conhecimentos acumulados pelos membros da equipe de FURNAS vêm sendo difundidos, “specialmente através de seminários e congressos de âmbito nacional e internacional e, recentemente, da publicação compilada de alguns dos trabalhos técnicos mais significativos. O presente volume representa um passo adiante, com a preparação de um trabalho de maior vulto, especialmente para edição sob forma de livro. Todos os seus autores tiveram uma intensa participação nos estudos de implantação dos sistemas de transmissão, em particular o de Itaipu; o livro sistematiza a experiência adquirida na execução dessas tarefas, de forma a tornar- se mais um instrumento de apoio didático nos estudos de engenharia de transmissão. Outros livros deverão seguir-se, perseguindo o objetivo de divulgar os conhecimentos acumulados pela equipe de FURNAS e de incentivar seus técnicos para que prossigam com a mesma competência e entusiasmo demonstrados até agora. A DIREÇÃO Pretáci A instalação de equipamentos olticasá uma tres que ervivo diet 6 duas ho ergenaria de Uia empresa poa parda nO pres de seção 6a real da estudos 6 rei eltra, ra daiição das orectotias vbtucas háscas cos equipemonas A part dessa ueliução, é slaborada a espeoticação técnica que, anôsemiía, defigra uma sâne ce euemos subsequentes, te coma: conconência, aguisçõa, fabricação, projeto, enssios, moagem, Comissionámeme. operação 8 manutenção. Dersa desta cuia do santos, especificação é o “locutores importante, pois é à bs pra consulta o ambi a longa cl vicia ld equipamento Est vt o trata e tos as csagas mamassáins à elaboração de urna uoguaicação. Seu oletivo & apresentar. liguti anb'gar pára d vero enuiparmêtos, os seguintes aspectos pitipas: Ok estos de ngunara ce sitema 2 utização de dou regulados; Os ansaios necassários para comaravaão dna requisitos ospcelicados: As cararteraicas elias háicas, Estes pares consituem o ncia cantrl de uma especiicação. São ões que seiterelgcionam ae. imiepgem de forma intensa, tada, perto para cu exscutão, uma equipa ca técnica capacilados com poseio entrasamanto, Este o a consolidação dós einen sandes por uma Equipe do longo cl varios Bs, Esta io iando ra Cn destas ds Equipamentos do Departamento de Sitemes Ebticos da FURNAS Cenais Eercas 8.2. enfrentou versos desafios, coma s implantação dê novos sistemas de Iransmissão, destacar ia-sa a sitema da ou, cam transmissão de 750 kV, para potência gerada em 0 Ho Em corais continuo, G0 kV, para potência gerada em Hz A esperiênciau capacitação desta oque oi seximontano e ampliada através de Pericipação em ensaios da came bora Análise imolartação db solusEs para grobleraas acoidos com csquipamensos em prado ne siena Partipação em tursos de mostrada a de extenção. pBkstas e samrários aliados n Br o no Participação em estágios om ones tensas Trcca du ntormanies com ospecidistas e qutras Partsipaçõo nas reune ca ABNT -COBEI; Roalização e cursos min sds pe equip Ta esta potencial peu teor que ou ira sungrãa. O gúlo "Soeretensões € Cowreenação de Henlamen!” é ur: projto gm angemento, surdo mutro dessa qua, penamente, sxà venci Sera css oliva e Faubeementos Ecos, ar visi nerto de dk se éeic bento ispaição e otros ups e das Universidades u Empresa Am os eitocs, atm pre da cup as engenhe Caos Padtas Aa Gba Clio cas Santos Fonseca Penlo Cesar Vaz Esmereido Roberto Valsman Todos estão de parabéns, pois temos plana aréva de que esta obra sa era um marco Na careta dica de Sórgia de Oliveira Frontin Chefe ca Divisão do Extutou da Emuigamentos Agradecimentos A Sergio Saldanha da Gama Motta, ex-Diretor Planejamento, Engenharia e Construção, pelo em na consolidação da memória técnica dos engenhe FURNAS. A Libero Ribeiro Castello, Assistente da Superintendência de Engenharia de Geração, pelc gerenciamento eficiente e devotado no processo « elaboração deste livro. A Paulo Afonso da Silva Pegado, Chefe do Departamento de Sistemas Elétricos, pelo apoio, incentivo e sugestões. A Maria Angela Canguçu de Mesquita, Assessc Relações Públicas, pelo seu apoio. À equipe de desenhistas de FURNAS e às datilógrafas Vera Lúcia de Sá e Maria da Glória P. pela prestimosa colaboração. E, finalmente, aos fabricantes de equipamentos mencionados no texto do livro, pelo fornecimento material ilustrativo apresentado. Apresentação A entrada em operação comercial de um equipamento em um sistema elétrico, para desempenhar a função para qual foi designado, é o coroamento de uma série de atividades de engenharia. Basicamente, estas atividades são exercidas nas seguintes etapas: Planejamento Nesta etapa, estudos específicos de planejamento são realizados para escolher, do ponto de vista técnico- econômico, a alternativa de transmissão mais adequada para ampliação e expansão do sistema. De forma preliminar, os equipamentos necessários para a implantação desta alternativa são identificados. Geralmente, nesta fase, são definidos o modo de transmissão (CC ou CA), os níveis de tensão, os tipos de subestações (geração, transformação, secionamento), a necessidade de compensação série, etc. Detalhamento A etapa de detalhamento visa examinar, com maior profundidade, a alternativa básica de expansão do sistema. Com esta finalidade, diversos estudos de engenharia de sistemas são realizados para determinação das solicitações impostas aos equipamentos, tanto em regime permanente como em regime transitório. Os resultados destes estudos servirão para atestar a viabilidade da alternativa estudada e fornecer subsídios importantes para a elaboração das especificações dos equipamentos. implantação Nesta etapa, são realizadas as atividades de aquisição dos equipamentos, fabricação, projeto da instalação, montagem, comissionamento e, finalmente, a operação comercial. O objetivo deste livro é abordar alguns aspectos relativos à atividade de detalhamento. No Capítulo | — Estudos Básicos, são abordados, de forma resumida, os estudos necessários para a especificação das características elétricas dos equipamentos. Deve-se ressaltar que, além dos resultados desses estudos, devem ser levadas em conta as normas técnicas dos equipamentos, a experiência nacional e internacional e as possibilidades de padronização. No Capítulo Il — Ensaios, são apresentados os requisitos gerais de ensaios dos equipamentos, com ênfase nos ensaios dielétricos. Os Capítulos de Ill a XIll tratam das especificações dos diversos equipamentos. Para tornar os textos mais completos, foram incluídos itens referentes a aspectos construtivos e a características de funcionamento. Finalmente, no Capítulo XIV — Superação de Equipamentos, são discutidas as diversas formas de superação & OS recursos existentes para evitar ou adiar a substituição de equipamentos superados. Irapoan Garrido Nunes N 1 Introdução Os estudos básicos visando a especificação das características elétricas dos equipamentos, realizados na etapa de detalhamento, consistem no estudo de fluxo de potência, para a determinação das correntes nominais, no estudo de curto-circuito, para a determinação da suportabilidade ao curto-circuito e da capacidade de interrupção dos disjuntores e, finalmente, no estudo de sobretensões, para a determinação dos níveis de isolamento. Na Figura 1é mostrado um diagrama que relaciona OS estudos de engenharia com a especificação dos diversos equipamentos que compõem um sistema elétrico de potência. 12 en ns Fluxo de Potência Estabilidade Arranjo de Subestações Transformadores Compensação Reativa (Reatores, Capacitores Série e Derivação, Compensadores Sincronos e Estáticos) Buchas tensão nominal potência nominal impedância derivações tensão nominal potência nominal corrente nominal | faixas de variacão tensão nominaf corrente nominal | tensão nominal corrente nominal meme tensão nominal Disjuntores e Chaves | TP. TCeDCP r Sobretensões (Sustentagas | Pára-raios ( tensão nominal de manobra jo capac. energia atmosféricas relação | Coordenação Ensaios Dietêtricos cmg de ee a dos Equipamentos localização | Isolamento — Transformadores (pedi de sobre-excitação — ha miar se Tensão de Disjuntores capacidade de interrupção Restabelecimento —- capacidade de fechamento Transitória |] resistor de pré-inserção Curto-Circuito Corrente de Curto-Circuito dos Equipamentos Dn qe Condições Ambientais Buchas fisica minima de escoamento sam ee Limites de Interferência com o Ambiente Níveis de Rt, TVl e Ruído Audível dos Equipamentos L Mm eme nad FIGURA 1. Relação entre Estudos e Especificação de Equipamentos I4 Capítulo | H Requisitos de Corrente Nominal Na Figura 4, está representado o arranjo da subestação, onde são indicados os valores máximos das correntes que equipamentos das linhas para o subsistema 1: 1244 A podem passar em cada circuito. equipamentos das linhas para o subsistema 2: 1280 A e Como o valor de corrente nominal especificado em IV foi de 1600 A para todos os equipamentos, após o exame do fluxo nos barramentos, conclui-se que não hã possibilidade de ocorrência de sobrecargas indesejáveis. mW Adequação às Normas equipamentos das linhas para o subsistema 1: 1250 A equipamentos das linhas para o subsistema 2: 1600 A Exemplo 2 IV Padronização Enunciado idêntico ao do exemplo 1, incluindo a adotar 1600 A para os equipamentos de todas as linhas. especificação de capacitores série, porém para as Figuras 5e 6. O arranjo da subestação é do tipo “disjuntor-e- V Fluxo nos Barramentos meio”, e está mostrado na Figura 7. SUBS. | À ts ss Preioza: I244A V I L | Do dee o, —», HA UU 12804 lá Ii 2804, j Lo leis N ] Vo 12804 Iá Ii suBs. o errei 11 lá I244A Figura 4 SUBESTAÇÃO DE 750kV Figura 5 Estudos Básicos 15 7 1750 A IT50A q 17504 2625A IT75O A IT50 A 17504 2625A IT5O A IT5O A 17504 - r/a Normal Emergência | Emergencia 11 (a) (b) (c) Figura 6 Solução | Fluxos Máximos De acordo com a Figura 6, os fluxos máximos correspondem à corrente de 2625 A em todas as linhas (condições de Emergência | e Il). Ú Requisitos de Corrente Nominal 2625 A para os equipamentos de todas as linhas. WI Adequação às Normas 3150 A para os equipamentos de todas as linhas Como não há outro valor de corrente nominal diferente de 3150 A, não há necessidade de se falar em padronização. IV Fluxo nos Barramentos Na Figura 7, está representado o arranjo da subestação em estudo, do tipo “disjuntor-e-meio”. Observa-se que ope Figura 7 nesse tipo de arranjo é necessária a abertura de dois disjuntores para desligar uma linha. A análise do fluxo nos barramentos deve ser desenvolvida de modo a se obter os maiores valores possíveis de corrente passando pelos equipamentos. Isto é conseguido combinando-se as diversas condições operativas visualizadas na Figura 6, com a saída de operação um disjuntor para manutenção. Como existe simetria das configurações para as condições de Emergência | e Il, apenas a primeira delas é analisada. Os valores máximos dessas correntes estão indicados na Figura 8, apenas quando forem superiores às correntes nas linhas. Para melhor visualização da distribuição das correntes nos trechos de barramento, os disjuntores abertos (desligando linha ou em manutenção) não são representados na Figura 8. Lembrando de que o valor de corrente nominal especificado em Ill foi de 3150 A, na Figura 8 também estão indicadas as sobrecargas detetadas. Estudos Básicos Sa 4 o | [6] E) |o A A” Va E mi ] I I Figura 9 1 / o —S 1 aa |— I É I 2, B 8 | (2 / / (A) AA , I 2 Figura 10 3 Corrente de Curto-Circuito Durante à ocorrência de um curto-circuito num sistema de potência, Os equipamentos devem suportar, sem prejuízo, no seu desempenho, todas as solicitações de corrente que, porventura, surgirem até o instante em que os disjuntores atuem no sentido de isolar q trecho cefeituoso do sistema. Além disso, o disjuntores devem ser capazes de interromper as correntes de curto-circuito e, também, suportar as correntes que surgirem quando, em manobra de fechamento, estabelecerem o curto- circuito. Um dado importante para a especificação da corrente de curto-circuito é a assimetria que à mesma pode apresentar, dependendo do valor da tensão no ponto de aplicação do curto-circuito, no instante da ocorrência do mesmo. Em primeira aproximação, se essa tensão for nula, a assimetria será máxima e vice-versa. 17 À componente continua da corrente de curto-circuito, responsável por essa assimetria, decai exponencialmente, sendo a constante de tempo função de relação X/R da rede. O valor do pico máximo da corrente de curto-circuito assimétrica define a característica dinâmica dos equipamentos enquanto que, o valor eficaz da corrente simétrica define a característica têrmica e devem, portanto, ser especificados. A duração da corrente de curto-circuito também deve ser especificada e corresponde ao tempo máximo que o equipamento pode ficar submetido à corrente de curto- circuito. Seu valor, normalmente especificado, é de 1s a 3s. O roteiro para a especificação das correntes de curto- circuito de disjuntores, chaves seccionadoras, transformadores de corrente, capacitores série e filtros de onda é resumido nos seguintes passos: | Determinar as correntes através dos equipamentos para configurações futuras, previstas para um horizonte da ordem de 30 anos, aproximadamente, adequar aos valores das normas vigentes e adotar, quando possível, a padronização; || Determinar a relação X/R da rede e a constante de tempo da componente continua da corrente de curto- circuito; HI Determinar o valor do pico máximo da corrente de curto-circuito assimétrica. Esse valor também define a capacidade de estabelecimento em curto-circuito para os disjuntores; IV Determinar o valor da componente continua (para os disjuntores), no instante da separação dos contatos do disjuntor, O Exemplo 4, apresentado a seguir, ilustra O roteiro proposto. 18 Exemplo 4 Especificar os requisitos de corrente de curto-circuito para os disjuntores, seccionadores, transformadores de corrente e filtros de onda da subestação da Figura 11, conhecendo-se os valores das correntes para curtos- circuitos aplicados, não simultaneamente, nos pontos assinalados com um “X” e sabendo-se estar aberta a extremidade oposta da linha onde o curto-circuito está aplicado. Os curtos-circuitos aplicados são trifásicos. LT] LT2 LT3 X x x Ms BARRA < « « Io go so mm [o] m X MI M2 M3 Figura 11 Solução | Correntes de curto-circuito, valores de norma e padrozinação Ver Figura 11. A hipótese de estar aberta a extremidade oposta da linha onde o curto-circuito está aplicado, também conhecida como condição de “line-out”, corresponde à pior condição de curto-circuito possível. Adequação às normas e padronização: Cirçuito "Valor da Corrente de Curto-Circuito Calculada Valor de Norma (KA) Valor Adotado como Padronizado (KA) Capítulo | II Relação X/R e Constante de Tempo da Componente Contínua Como é sabido, a relação X/R define o decaimento exponencial da componente continua que, por sua vez, determina à assimetria da corrente de curto-circuito. A forma de onda da corrente de curto-circuito em função do tempo, pode ser obtida diretamente através da utilização de programas convencionais de cálculo de transitórios eletromagnéticos, onde pode ser adotada a representação trifásica da rede em estudo, por meio de suas resistências e reatâncias a 60 Hz. Não sendo possivel adotar tal procedimento, a relação X/R pode ser obtida pela redução da rede de impedâncias através de programas convencionais de cálculo de curto- circuito ou, como recomendado no guia ANSI C37.010- 1972 - “ Application Guide for AC High Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis”, pela redução das redes de resistências e reatâncias, separadamente, ou ainda, utilizando valores típicos recomendados nesse mesmo guia. Embora diferentes valores de relação X/R possam ser calculados numa mesma subestação, é conveniente especificar um mesmo valor para efeito de padronização. Esse valor será, naturalmente, o maior encontrado na subestação e, de acordo com as normas vigentes, não deve ser inferior a 17. Na Figura 12 é mostrada a curva de decaimento exponencial da componente contínua da corrente de curto-circuito em função do tempo, para X/R = 17. 190 | T sob CURVA PARA CR = IT Í PARA 170,5 CICLOS —» W 1 = 83% N [ | [To] Ps ! — na | 1 40 E a ia md TH Pe 20 — t E) o 10 20 30 ao 50 eo 70 E) 90 tims) Tempo q parbr do mico de corrente de curto circuito Figura 12, 
