Equipamentos alta tensão - RELATÓRIO - EQUIPAMENTOS ALTA TENSÃO - TEORIA BÁSICA
Autor RICHARD ROBERTO CAIRES
CAMPINAS - São Paulo – Brasil 2006
2 RICHARD ROBERTO CAIRES
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.
Buscamos neste trabalho uma descrição básica sobre equipamentos de alta tensão utilizados em subestações de energia elétrica. São equipamentos indispensáveis em subestações, e que possuem alta tecnologia envolvida em seus sistemas, para seu perfeito funcionamento.
Devido à variedade de equipamnetos de alta tensão utilizados em subestações de energia elétrica, estudaremos os mais utilizados no sistema de Furnas Centrais Elétricas. São os disjuntores de alta tensão, sincronizadores, chaves seccionadoras, para-raios e outros.
Veremos alguns tipos de disjuntores, que utilizam como meio de isolação, óleo, ar comprimido, vácuo e gás SF6. Falaremos da sincronização de disjuntores, que é feito através de um aparelho que fica na sala de controle e monitora a temperatura, pressão e sincronização, através de sensores conectados aos polos do disjuntor, fazendo a sincronização de abertura e fechamento, além de mostrar todas as condições reais do disjuntor em tempo real.
motorizado, entre outros
Falaremos das chaves seccionadoras, sobre a variedade de modelos existentes. Os modelos variam de acordo com o tipo de abertura destas chaves que podem ter abertura central, lateral, dupla abertura, abertura vertical, semipantográfica. Veremos as peças sobressalentes que compões estes equipamentos, como lâminas de terra, contatos fixos, polos completos, isoladores, bases de fixação, contatos móveis, restritores de arco, mecanismo motorizado, que é responsável pelo acionamento de abertura e fechamento dos seccionadores, que pode ser acionado diretamente, remotamente na sala de controle, ou até mesmo manualmente, no caso de falha do mecanismo
Outro equipamento importante, que veremos é o para-raio, responsável pela proteção de outros equipamentos que podem ser danificados através de descargas elétricas.
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.
Dados do Estagiário 6
1. Para-Raios 1
2. Disjuntores Alta Tensão 12
2.1 A Interrupção da Corrente Elétrica 13
2.2 Técnicas de Interrupção 14
2.3 Disjuntores a Óleo 15
2.4 Disjuntores a Ar Comprimido 17
2.5 Disjuntores a SF6 2
2.6 Disjuntores a Vácuo 23
3 Sincronizadores ..............................................................................................25
3.1 Parametrização 26
3.2.1 Parâmetros Fixos 26
3.2.2 Parãmetros Dinãmicos 26
3.3 Pressão do Comando Hidráulico 27
3.4 Tensão nas Bobinas dos Disjuntores 28
3.5 Tempos de Operação do Disjuntor 28
3.6 Compensação de Temperatura 29
4. Chaves Seccionadoras e Comandos Motorizados 3
4.1 Abertura Lateral 34
4.2 Abertura Central 35
4.3 Dupla Abertura Lateral 36
4.4 Abertura Vertical 37
4.5 Abertura Semi-Pantográfico Horizontal 38
4.6 Abertura Semi-Pantográfica Verical 39
4.7 Lãmina Terra 40
4.8 Polo Seccionador 41
4.9 Principais Partes constituintes de um Seccionador 42
5 Ensaios 49
5.1.1 Ensaios de Rotina 49
5.1.2 Ensaios de Tipo 49
Conclusões 49
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 4 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: 9,9%. 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.
O objetivo deste trabalho é descrevermos o funcionamento dos equipamentos utilizados em Subestações de Energia Elétrica, e passar o que foi visto durante o estágio mostrando o conhecimento adquirido. Estudaremos diversos tipos de equipamentos, peças sobressalentes que servem para atender de imediato a substituição de peças danificadas, já que muitos destes equipamentos são importados, e por serem importados há grande dificuldade para importação de peças novas. Fato que exige de Furnas Centrais Elétricas ter almoxarifados gigantescos para armazenamento de grande quantidade de peças para reposições futuras. Verificaremos a funcionalidade destes equipamentos em Subestações de Energia Elétrica e também o funcionamento operacional destes, como disjuntores, sincronizadores, seccionadores, pararaios. Durante o estágio tivemos a oportunidade de participar de inspeções de equipamentos. Nas inpeções fizemos ensaios elétricos, para verificar se os equipamentos que Furnas estava adquirindo atendiam requisitos e normas técnicas. Portanto veremos a classificação de alguns tipos de ensaios elétricos.
Neste trabalho queremos demonstrar a complexidade dos equipamentos em sistemas de alta potência.
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 4 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.
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
2 DISJUNTORES ALTA TENSÃO
Disjuntor é um dispositivo eletromecânico que permite proteger uma determinada instalação elétrica com sobre-intensidades (curto circuitos ou sobrecargas). Sua principal característica é a capacidade de se rearmar (manual ou eletricamente), quando estes tipos de defeitos ocorrem, diferindo do fusivel que têm a mesma função, mas que fica inutilizado depois de proteger a instalação, porque tal como o nome indica, fundiu. Assim, o disjuntor interrompe a corrente em uma instalação eléctrica antes que os efeitos térmicos e mecânicos desta corrente possam se tornar perigosos às próprias instalações. Por esse motivo, ele serve tanto como dispositivo de manobra como de proteção de circuitos elétricos.
Atualmente é muito utilizado em instalações elétricas residenciais e comerciais o disjuntor magnetotérmico ou termomagnético, como é chamado no Brasil. Esse tipo de disjuntor possui três funções: Manobra (abertura ou fecho voluntário do circuito) Proteção contra curto-circuito – Essa função é desempenhada por um atuador magnético (solenóide), que efetua a abertura do disjuntor com o aumento instantâneo da corrente elétrica no circuito protegido Proteção contra sobrecarga – É realizada através de um atuador bimetálico, que é sensível ao calor e provoca a abertura quando a corrente elétrica permanece, por um determinado período, acima da corrente nominal do disjuntor
Para a interrupção de altas correntes, especialmente na presença de circuitos indutivos, são necessários mecanismos especiais para a interrupção do arco elétrico, resultante na abertura dos pólos. Para aplicações de grande potência, esta corrente de curto-circuito, pode alcançar valores de 100 kA.
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.
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 a semicondutor que está sendo desenvolvido em laboratório de pesquisas e o seu futuro é promissor, pois são os que mais se aproximam do disjuntor ideal, sendo que este se encontra no domínio dos sonhos.