Subestações Elétricas, Trabalhos de Engenharia Elétrica

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Sumário

1. Introdução

• 1. Introdução..........................................................................................................................
• 2. Objetivo...............................................................................................................................
• 3. Esquemas Elétricos Operacionais (1ºQuestão)....................................................
  • 3.1. Barra Simples:...........................................................................................................
  • 3.2. Barra Simples com a Utilização do By-Pass...................................................
  • 3.3. Barra Simples Seccionado....................................................................................
  • 3.4. Barra Principal e Transferência...........................................................................
  • 3.5. Barra Dupla, Um Disjuntor...................................................................................
  • 3.6. Barra Dupla com Dois Disjuntores..................................................................
  • 3.7. Barra Dupla com Disjuntor e Meio..................................................................
  • 3.8. Barramento em Anel............................................................................................
• 4. Análise dos Esquemas Elétricos (2º Questão)....................................................
  • 4.1. Barra Simples..........................................................................................................
  • 4.2. Barra Simples Seccionado..................................................................................
  • 4.3. Barra Principal e Transferência.........................................................................
  • 4.4. Barra Dupla, um Disjuntor..................................................................................
  • 4.5. Barra Dupla com Dois Disjuntores..................................................................
  • 4.6. Barra Dupla com Disjuntor e Meio..................................................................
  • 4.7. Barramento em Anel............................................................................................
• 5. Dispositivo da SE – Disjuntor..........................................................................................
  • 5.1. Características Básicas............................................................................................
  • 5.2. Tipos de Disjuntores..................................................................................................
    • 5.2.1. Disjuntores a óleo.................................................................................................
    • 5.2.2. Disjuntores a ar comprimido............................................................................
    • 5.2.3. Disjuntores SF6.................................................................................................
    • 5.2.4. Disjuntor a vácuo...............................................................................................
• 6. Diagrama Unifilar S.E.......................................................................................................
• 7. Bibliografia...........................................................................................................................

3. Desenhar o diagrama unifilar de uma SE a ser escolhido no sistema interligado nacional.
4. Dissertar sobre um dos equipamentos da SE:

2.f. Disjuntor.

2.g.Seccionador.

2.h.TC.

2.i. TP.

2.j. Para-ráios.

2.k.Transformador.

2.l. Reator.

2.m. Proteção.

2.n.Controle.

3. Esquemas Elétricos Operacionais (1ºQuestão)

Este tópico corresponde à comparação dos esquemas elétricos operacionais sob aspectos técnicos e os custos de implementação e a ampliação das subestações.

Os esquemas elétricos operacionais de uma subestação diferenciam um dos outros pela forma a qual os elementos (linhas, transformadores, disjuntores e seccionadores) de uma subestação se conectam entre si. Cabe lembrar que o disjuntor pode operar com o circuito energizado, enquanto a chave seccionadora somente opera com o circuito sem carga.

Os principais esquemas elétricos são apresentados abaixo:

3.1.Barra Simples:

Este é o esquema mais simples de uma subestação. Neste esquema, todos os circuitos se conectam a mesma barra e na ocorrência de alguma falta, estes circuitos serão desligados. A figura apresenta o diagrama esquemático desta configuração.

Figura SEQ Figura * ARABIC 1 - Diagrama unifilar de uma SE (Barra Simples).

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Devido à perda dos circuitos na presença de uma falta ou na manutenção do disjuntor, esse arranjo é utilizado em subestações de pequeno porte. Esse arranjo para uma subestação é o que apresenta o menor custo de implementação, e uma menor área necessária para a sua instalação.

Abaixo as características da configuração Barra Simples:

• Menor área necessária.
• Baixa confiabilidade.
• Baixa disponibilidade.
• Perda do circuito na manutenção do disjuntor.
• Instalação extremamente simples.
• Custo reduzido.
• A ampliação do barramento não pode ser realizada sem a completa desenergização da subestação.
• Sua utilização não é aconselhada para a alimentação de cargas que possam ser interrompidas.

3.2.Barra Simples com a Utilização do By-Pass.

O esquema Barra Simples pode apresentar uma melhor disponibilidade com a utilização de uma chave de By-Pass para a alimentação dos circuitos. O diagrama unifilar de uma subestação com uma chave de By-Pass é apresentada abaixo.

Figura SEQ Figura * ARABIC 2 - Diagrama unifilar de uma subestação Barra Simples com By - Pass.

As Características apresentadas por um sistema barra simples com a utilização de uma chave de By – Pass é a mesma apresentada pela configuração barra simples. Esta configuração se diferencia da configuração barra simples por possui um custo um pouco mais elevado devido a utilização de chaves de By – Pass.

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3.4.Barra Principal e Transferência

O esquema Barra Principal e Transferência é um sistema mais complexo comparado com os esquemas anteriores e apresenta uma maior confiabilidade.

Abaixo o esquema elétrico desta configuração:

Figura SEQ Figura * ARABIC 4 - Diagrama unifilar do esquema elétrico Barra Simples e Transferência.

A seguir será descrita uma breve síntese da operação deste esquema elétrico. Na necessidade de manutenção e/ou desligamento da barra principal, os seguintes procedimentos devem ser adotados:

• A proteção do sistema é colocada na posição intermediária, ou seja, o disjuntor dos alimentadores e o disjuntor de transferência irão atuar na presença de uma falta.
• O disjuntor de transferência é fechado, de modo a barra de transferência e a barra principal possuírem o mesmo potencial.
• A chave seccionadora dos alimentadores ligada à barra de transferência é fechada, e o mesmo potencial é transferido para o final do disjuntor.
• Abrimos o disjuntor ligado a barra principal.
• A proteção é colocada na posição transferida.

O esquema Barra Principal e Transferência apresenta as seguintes características:

• (^) Custo inicial e final relativamente baixo.
• Requer um disjuntor extra para a conexão com a outra a barra.
• A ampliação da subestação é realizada sem afetar a alimentação dos circuitos.
• Qualquer disjuntor pode ser retirado de serviço para a manutenção.
• Equipamentos podem ser retirados ou adicionados a subestação sem maiores dificuldades.
• Falha no barramento ou em um dos disjuntores resulta no desligamento da subestação.

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3.5.Barra Dupla, Um Disjuntor

O esquema Barra Dupla é uma evolução do esquema Barra Principal e Transferência. A vantagem do esquema Barra Dupla em relação ao esquema Barra Principal e Transferência é que na falha de um dos disjuntores e/ou um dos barramentos não resulta no desligamento da subestação. Esta vantagem concebe a Barra Dupla uma maior confiabilidade.

A Figura 5 apresenta o diagrama elétrico para esta configuração.

Figura SEQ Figura * ARABIC 5 - Diagrama unifilar do esquema elétrico Barra Dupla.

O esquema elétrico apresenta as seguintes características:

• Permite uma maior flexibilidade com ambas as barras em operação.
• Qualquer uma das barras podem ser isoladas para a manutenção e ampliação dos circuitos.
• Facilidade da transferência de um dos circuitos de uma barra para a outra com o uso de um único disjuntor de transferência e chaves de manobra.
• Apresenta a desvantagem da necessidade de quatro chaves por circuito e um disjuntor extra para a conexão com a outra barra acarretando em maiores custo de implementação e manutenção.
• A proteção do barramento pode causar a perda da subestação quando esta operar com todos os circuitos em um barramento único.
• Falha no disjuntor de transferência pode colocar a subestação fora de serviço.

3.6.Barra Dupla com Dois Disjuntores.

O esquema elétrico de operação de uma subestação no esquema Barra Dupla com dois disjuntores é uma adaptação do esquema Barra Dupla, de modo a apresentar uma confiabilidade dos circuitos.

Figura SEQ Figura * ARABIC 6 - Diagrama unifilar esquema elétrico operacional Barra Dupla com Dois Disjuntores.

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3.8.Barramento em Anel.

Um último esquema a ser apresentado é o barramento em anel. O barramento em anel apresenta as seguintes características:

• Necessita apenas um disjuntor por circuito
• Apresenta uma confiabilidade relativamente boa com o custo de implementação reduzido.
• Não utiliza a barra principal.
• Se uma falta ocorre durante a manutenção de um dos disjuntores, o anel pode ser separado em duas seções.
• Religamento automático e circuitos complexos.
• Para efetuar a manutenção e/ou ampliação de um circuito a proteção deixará de atuar durante esse período.

Abaixo o diagrama esquemático do barramento em anel:

Figura SEQ Figura * ARABIC 8 - Diagrama unifilar Barramento em Anel.

Abaixo é apresentada uma tabela com o resumo das principais características dos esquemas elétricos operacionais da subestação.

Tabela SEQ Tabela * ARABIC 1 - Os principais arranjos de subestações e suas principais características.

Arranjo Confiabilidade Custo Área Utilizada

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Barra Simples Menor Confiabilidade.

Falhas simples podem ocasionar o desligamento da SE.

Menor custo, devido a menor número de componentes

Menor área

Barra Principal e Transferência

Baixa confiabilidade semelhante a barra simples.

Melhor flexibilidade na operação e manutenção.

Custo moderado.

Poucos componentes

Área pequena para a sua instalação.

Barra Dupla um Disjuntor

Confiabilidade moderada

Custo moderado.

Número de componentes um pouco maior.

Área moderada.

Barra Dupla Disjuntor Duplo.

Confiabilidade Moderada.

Custo elevado Grande Área.

Dobro do número de componentes Barra Dupla, Disjuntor e Meio

Alta confiabilidade.

Falhas simples isolam apenas o circuito.

Custo moderado.

Número de componentes um pouco maior.

Grande área.

Maior número de componentes por circuito. Barramento em anel Alta confiabilidade. Custo moderado. Área moderada.

4. Análise dos Esquemas Elétricos (2º Questão).

A próxima etapa do trabalho é o estudo do que ocorre nas subestações considerando todos os esquemas elétricos estudados, para as seguintes condições: manutenção dos disjuntores, manutenção em barras, defeito em circuito e defeito em barra.

3.9.Barra Simples.

O esquema Barra Simples é o esquema de operação mais simples de uma subestação. Os circuitos e a subestação ficam desligados para a manutenção dos disjuntores.

No esquema barra simples, devido à presença de uma única barra a manutenção e/ou o defeito desta barra provoca o desligamento total da subestação. O

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• Energizar a barra de transferência fechando o disjuntor (DT).
• Colocar a proteção(função 43) atuando na posição intermediária, ou seja, a proteção é feita pelo disjuntor da barra de transferência.
• Fechar a chave seccionadora (S1) de by- pass entre a barra principal e a transferência.
• Abrir o disjuntor (D2).
• Abrir as chaves seccionadoras (S2) e (S3).
• Colocar a proteção na posição transferida.

Passos para a colocação do disjuntor de volta no circuito:

• Fechar as chaves seccionadoras (S2) e (S3).
• Colocar a proteção na posição intermediária.
• Fechar o disjuntor (D2).
• Abrir a seccionadora (S1)
• Abrir o disjuntor de transferência (DT).
• Colocar a proteção na posição normal.

Em condições normais de funcionamento, o vão de entrada de linha supre a barra principal através do disjuntor principal e das chaves seccionadoras associadas a este disjuntor, que se encontram normalmente fechadas. Existe mais uma chave associada ao disjuntor de entrada de linha que é a de “by-pass” que se encontra normalmente aberta.

3.12. Barra Dupla, um Disjuntor.

Este é um arranjo para instalações de grande porte e importância. Normalmente o disjuntor entre as barras é fechado e mantém umas das barras com tensão e carga dividida.

A manutenção dos disjuntores é realizada sem a perda dos circuitos de saída. Cada circuito pode ser conectado a qualquer barra.

O defeito em um dos circuitos não irá afetar a operação da subestação, uma vez que cada circuito tem um disjuntor associado. Na presença de defeito em circuito, o disjuntor do circuito irá operar isolando o defeito.

Em caso de falta em umas das barras, os disjuntores da linha de entrada operam isolando a falta. O disjuntor de interligação das duas barras é aberto e as chaves são comandadas para transferir os circuitos associados à barra com defeito para a outra barra da subestação.

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Figura SEQ Figura * ARABIC 10 - Barramento Duplo com um disjuntor.

OBS: Para a manutenção de uma das barras deve se verificar o sincronismo entre as barras.

3.13. Barra Dupla com Dois Disjuntores.

Este esquema apresenta a característica de que cada circuito é protegido por dois disjuntores separados. A operação de qualquer disjuntor não irá afetar mais de um circuito. Este tipo de arranjo é o que apresenta maior confiabilidade, mas apresenta o maior custo na sua implementação.

A retirada dos disjuntores para a manutenção poderá afetar ou não apenas um dos circuitos. A manutenção dos disjuntores pode ser realizada sem prejudica a subestação de maneira geral.

O defeito em um dos circuitos será isolado pela abertura de um dos disjuntores da subestação, ocasionando apenas a perda do circuito.

Se um defeito e/ou manutenção ocorre na barra principal. O disjuntor do lado de baixa tensão do transformador operará desenergizando a barra. O disjuntor normalmente fechado do alimentador primário ligado à barra principal é então manualmente aberto pela equipe de campo. Subseqüentemente o suprimento é transferido para a barra reserva pelo fechamento do disjuntor alternativo do lado de baixa tensão do transformador e o correspondente disjuntor do alimentador primário. O serviço é interrompido durante o tempo em que é realizada a manobra manual.

3.14. Barra Dupla com Disjuntor e Meio.

Este esquema é o arranjo tradicional mais utilizado na maioria dos países. Neste arranjo são três disjuntores em série ligando uma barra dupla. Este esquema é apresentado na Figura 7.

Na ocorrência de defeito em um dos circuitos, três disjuntores protegem dois circuitos em uma configuração com dois barramentos.

A ocorrência de falha em uma das barras não provocará o desligamento dos circuitos, apenas irá ocorrer a retirada da barra para a manutenção.

A vantagem deste esquema é que qualquer disjuntor ou barra podem ser retiradas de operação para a manutenção sem afetar os circuitos.

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circuito. No caso de abertura, o disjuntor deve dominar todos os casos de manobra possíveis na rede na qual está instalado.

Freqüentemente os disjuntores estão instalados ao tempo e permanecem meses a fio no estado estacionário ligado, conduzindo a corrente nominal sob condições climáticas de temperatura variáveis.Também estão expostos a agentes atmosféricos agressivos a vários de seus componentes e outras condições adversas.

Mesmo com todo esse tempo de inatividade operacional mecânica, o disjuntor deve estar pronto para interromper correntes de curto-circuito, sem o menor desvio das especificações.

Percebe-se então que uma confiabilidade total é exigida dos disjuntores de potência e deve ser conseqüência de um projeto e de um controle de qualidade extremamente rigorosos. Este vai desde a relação de matérias primas, passando pela revisão de entrada, ensaio de materiais, controle dos processos de fabricação, ensaios de subconjuntos, até os ensaios finais.

3.17. Tipos de Disjuntores

5.1. Disjuntores a óleo

Os disjuntores a óleo estão, basicamente, divididos em dois grupos:

• Disjuntores de grande volume de óleo (GVO)
• Disjuntores de pequeno volume de óleo (PVO).

No caso do GVO, de pequena capacidade, as fases ficam imersas em um único recipiente contendo óleo, que é usado tanto para a interrupção das correntes quanto para prover o isolamento. Nos disjuntores de maior capacidade, o encapsulamento é monofásico. A Figura 11 mostra um GVO de maior capacidade.

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Figura SEQ Figura * ARABIC 11 – Disjuntor GVO

Já no PVO, mostrado na Figura 12, é projetado com uma câmara de extinção com fluxo forçado sobre o arco, aumentando a eficiência do processo de interrupção da corrente, diminuindo drasticamente o volume de óleo no disjuntor.

Figura SEQ Figura * ARABIC 12 – Disjuntor PVO

A maior vantagem dos disjuntores de grande volume de óleo sobre os de pequeno volume de óleo é a grande capacidade de ruptura em curto-circuito em tensões de 138 kV. Mesmo assim este tipo de disjuntor está caindo em desuso.

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arco abrem-se ao mesmo tempo as válvulas de sopro e de exaustão em cada câmara, de maneira a ventilar a região entre os contatos.

Após o fim do movimento do contato móvel, que ocorre num tempo pré- determinado para permitir a extinção dos arcos, as válvulas se fecham, deixando o disjuntor aberto, com as câmaras cheias de ar comprimido à pressão de serviço, livre de produtos ionizados. Na operação de fechamento, as válvulas de sopro e exaustão podem ser abertas ligeiramente para ventilar a região entre contatos, impedindo a contaminação da câmara por resíduos provenientes da vaporização de material de contatos.

A operação dos disjuntores de ar comprimido sempre produz um grande ruído causado pela exaustão do ar para a atmosfera. Uma redução do nível de ruído produzido é conseguida através de silenciadores.

Os disjuntores a ar comprimido podem possuir compressores individuais ou trabalhar ligados a uma central de ar comprimido. Como a operação dos disjuntores pode ser perigosa quando a pressão de ar comprimido cai abaixo de determinado nível, estes são providos de dispositivos para impedir seu fechamento ou sua abertura sob pressões inferiores a níveis pré-fixados.

Pode-se dispor também de dispositivos para abrir os disjuntores quando a pressão chegar a um nível perigoso, mas ainda superior àquele em que a abertura seja proibida. Devido a estas características, é prática dos clientes exigirem que os disjuntores que operam com sistemas de ar comprimido central possuam reservatórios individuais ( “air receivers”), com capacidade suficiente para realizar um ciclo completo O-CO-CO sem necessidade de receber reforço de ar comprimido do sistema central, e sem que a pressão caia a níveis perigosos.

Um reservatório central deve também ser capaz de garantir a repressurização de todos os reservatórios individuais, após uma operação O-CO simultânea, num intervalo de tempo usualmente fixado em dois minutos.

5.3. Disjuntores SF 6

Embora o hexafluoreto de enxofre (SF6) tenha sido sintetizado pela primeira vez em 1904, somente nos anos 30, a partir da observação de suas excepcionais propriedades dielétricas, o novo gás encontrou uma limitada aplicação como meio isolante em transformadores.

O SF6 é um dos gases mais pesados conhecidos (peso molecular 146), sendo cinco vezes mais pesado que o ar. À pressão atmosférica, o gás apresenta uma rigidez dielétrica 2,5 vezes superior à do ar. A rigidez dielétrica aumenta rapidamente com a pressão, equiparando-se à de um óleo isolante de boa qualidade à pressão de 2 bars. A contaminação do SF6 pelo ar não altera substancialmente as propriedades dielétricas do gás: um teor de 20 % de ar resulta numa redução de apenas 5 % da rigidez dielétrica do gás.

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Somente no final dos anos 40 teve início o desenvolvimento de disjuntores e chaves de abertura em carga a SF6, com base em experimentos em que as excepcionais qualidades do gás como meio interruptor de arcos elétricos foram comprovadas. Essas qualidades derivam do fato de que o hexafluoreto de enxofre um gás eletronegativo, possuindo, portanto, uma afinidade pela captura de elétrons livres, o que dá lugar à formação de íons negativos de reduzida mobilidade.

Essa propriedade determina uma rápida remoção dos elétrons presentes no plasma de um arco estabelecido no SF6, aumentando, assim, a taxa de decremento da condutância do arco quando a corrente se aproxima de zero.

O SF6 é um gás excepcionalmente estável e inerte, não apresentando sinais de mudança química para temperaturas em que os óleos empregados em disjuntores começam a se oxidar e decompor.

Na presença de arcos elétricos sofre lenta decomposição, produzindo fluoretos de ordem mais baixa (como SF2 e SF4) que,embora tóxicos, recombinam-se para formar produtos não tóxicos imediatamente após a extinção do arco. Os principais produtos tóxicos estáveis são certos fluoretos metálicos que se depositam sob a forma de um pó branco, e que podem ser absorvidos por filtros de alumina ativada.

Os primeiros disjuntores de hexafluoreto de enxofre eram do tipo “dupla pressão”, baseados no funcionamento dos disjuntores a ar comprimido. O SF6 era armazenado num recipiente de alta pressão (aproximadamente 16 bars) e liberado sobre a região entre os contatos do disjuntor. A Figura 14 mostra um disjuntor SF

Figura SEQ Figura * ARABIC 14 – Disjuntor SF

A principal diferença com relação aos disjuntores a ar comprimido consistia no fato de o hexafluoreto de enxofre não ser descarregado para a atmosfera após atravessar as câmaras de interrupção, e sim para um tanque com SF6 a baixa pressão (aproximadamente 3 bars).

Assim, o gás a alta pressão era utilizado para interrupção do arco e o SF6, a baixa pressão, servia à manutenção do isolamento entre as partes energizadas e a terra. Após a interrupção, o gás descarregado no tanque de baixa pressão era bombeado novamente para o reservatório de alta pressão, passando por filtro de alumina ativada para remoção de produtos da decomposição do SF6.

As principais desvantagens dos disjuntores a SF6 a dupla pressão eram a baixa confiabilidade dos compressores de gás e a tendência do hexafluoreto de

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