Monografia-Projeto de Subestação

Universidade Federal do Rio de Janeiro

Projeto Bsico de Implantao de uma Subestao de 230/138 kV ao Sistema Interligado Nacional

Thoms Coelho da Conceio Santos

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Rio de Janeiro RJ 2010

ii





rea de concentrao: Sistemas Eltricos de Potncia Orientador: Ivan Herszterg


iii





_____________________________________

Prof. Ivan Herszterg, M.Sc. (Orientador)

_____________________________________

Eng. Fernando Andr da Rocha Salles

______________________________________

Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D.


iv

Santos, Thoms Coelho da Conceio. Projeto de Implantao de uma Subestao de 230/138 kV ao Sistema Interligado Nacional - Rio de Janeiro 2010. 101 pginas. Monografia, Universidade Federal do Rio de Janeiro.

v

Agradecimentos

Primeiramente agradeo a Deus por ter concebido a mim a oportunidade de

poder estudar em uma grande universidade.

Agradeo muito a minha famlia, comeando pelos meus pais Denilson Jos

da Silva Santos e Suelene Coelho da Conceio Santos por terem me oferecido a

melhor base para o meu crescimento, sempre com muito amor e dedicao. Aos

meus tios Jomar Macedo Pereira e Joseli Maria da Silva Santos Pereira por terem

me acolhido como filho e ter me dado todo o suporte no meu curso de graduao.

A minha esposa Luciana Maria de Souza que com muito amor e pacincia soube

me confortar nos momentos mais difceis e o nosso fruto Joo Lucas Coelho

Santos de Souza que minha maior alegria.

Aos meus colegas de faculdade, meus companheiros de luta, que juntos

compartilhamos os sofrimentos dentro do curso, mas tambm dos momentos de

alegria em ter vivido esta experincia com pessoas to maravilhosas.

Aos professores do curso de graduao, em especial ao professor Ivan

Herszterg por ter me ajudado neste trabalho.

Muito Obrigado a Todos!

vi

Sumrio Lista de Figuras .................................................................................................................................. ix Resumo .............................................................................................................................................. x Captulo 1. Introduo.................................................................................................................... 1

1.1 Consideraes do Sistema Eltrico Brasileiro: ................................................................... 1 1.2 Objetivos: ............................................................................................................................ 1

Captulo 2. Anlise Tcnica e Econmica das Alternativas de Implantao. ................................ 3 2.1 Disposies Iniciais ............................................................................................................. 3 2.2 Aspectos da Regio ............................................................................................................. 3 2.3 Critrio de Viabilidade Tcnico-econmica. ....................................................................... 4 2.4 Das Alternativas .................................................................................................................. 6

2.4.1 Resolues sem ampliao de Linhas de Transmisso ............................................... 6 2.4.1.1 Operao em 230 kV da LT Cascavel Foz do Iguau e a Construo da subestao Foz do Iguau Norte................................................................................. 6 2.4.1.2 Operao das linhas Cascavel Medianeira e Medianeira Foz do Iguau em 230 kV. .............................................................................................................. 7

2.4.2 Resolues por Novas Linhas de Transmisso ........................................................... 8 2.4.2.1 Expanso em 138 kV. ...................................................................................... 8 2.4.2.2 Expanso em 138 e 230 kV. ........................................................................... 9 2.4.2.3 Expanso em 230 kV. .................................................................................... 11

2.5 Anlise de Custo................................................................................................................ 13 2.6 Anlise das Perdas hmicas ............................................................................................. 13 2.7 Consideraes Gerais e Crticas. ....................................................................................... 14

Captulo 3. Mdulo Geral ............................................................................................................ 17 3.1 Consideraes Gerais. ....................................................................................................... 17 3.2 Localizao da Subestao ................................................................................................ 17 3.3 Arranjo Fsico .................................................................................................................... 19

3.3.1 Caractersticas do Sistema de 230 kV ....................................................................... 20 3.3.1.1 Barra Dupla ...................................................................................................... 20

3.3.2 Caractersticas do Sistema de 138 kV ....................................................................... 20 3.3.2.1 Barra Principal e Barra de Transferncia. .................................................. 21

3.3.3 Estruturas ................................................................................................................... 21 3.3.4 Espaamentos Eltricos ............................................................................................. 21 3.3.5 Barramento ................................................................................................................ 21

Captulo 4. Equipamento de Ptio ................................................................................................ 23 4.1.1 Autotransformadores de Potncia ............................................................................. 24

4.1.1.1 Potncia Nominal Contnua .......................................................................... 27 4.1.1.2 Ligao Trifsica do Autotransformador ..................................................... 27 4.1.1.3 Valores Nominais de Tenso (fase-fase).................................................... 27 4.1.1.4 Dados de Curto-Circuito ................................................................................ 28 4.1.1.5 leo .................................................................................................................. 28

4.1.2 Disjuntores ................................................................................................................ 29 4.1.2.1 . Caractersticas Nominais ............................................................................ 29 4.1.2.2 Dimensionamento do Equipamento ............................................................. 30 4.1.2.3 Capacidade Nominal de Interrupo de Curto-Circuito. ........................... 31 4.1.2.4 Tenso Suportvel Nominal a Impulso Atmosfrico. ................................ 32 4.1.2.5 Tenso Suportvel Nominal a Impulso Atmosfrico. ................................ 33

4.1.3 Chaves Seccionadoras ............................................................................................... 33 4.1.3.1 Classificao das Seccionadoras. ............................................................... 33

vii

4.1.3.2 Caractersticas Nominais............................................................................... 34 4.1.3.3 Dimensionamento do Equipamento ............................................................. 34

4.1.4 Pra-Raios ................................................................................................................. 37 4.1.4.1 Dimensionamento do Equipamento ............................................................. 38

4.1.5 Transformador de Potencial Capacitivo .................................................................... 40 4.1.5.1 Cargas dos TPs ............................................................................................. 41 4.1.5.2 Dimensionamento do TPC ............................................................................ 41

4.1.6 Transformador de Corrente ....................................................................................... 44 4.1.6.1 Dimensionamento dos TCs 230 kV. ........................................................... 47 4.1.6.2 Dimensionamento dos TCs 138 kV. ........................................................... 50

4.1.7 Isolador de Pedestal 230 kV ...................................................................................... 52 4.1.8 Isolador de Pedestal 138 kV ...................................................................................... 53

Captulo 5. Servios Auxiliares ................................................................................................... 54 5.1 Cubculos de Mdia Tenso .............................................................................................. 54 5.2 Transformadores dos Servios Auxiliares ......................................................................... 55

5.2.1 TRSA1 e TRSA2 ....................................................................................................... 56 5.2.2 TRSA2 e TRSA3 ....................................................................................................... 57

5.3 Painis de Baixa Tenso. ................................................................................................... 57 5.3.1 Quadros em Corrente Alternada ................................................................................ 58

5.3.1.1 Cargas em 480 Vca ........................................................................................ 61 5.3.1.2 Cargas em 220/127 Vca ................................................................................ 63

5.3.2 Cargas em Corrente Contnua. .................................................................................. 64 5.4 Baterias, Carregadores e Retificadores ............................................................................. 69

5.4.1 Parmetros da Bateria. ............................................................................................... 69 5.4.2 Tenso mnima da bateria.......................................................................................... 69 5.4.3 Clculo do n de elementos. ...................................................................................... 69 5.4.4 Capacidade da Bateria. .............................................................................................. 70 5.4.5 Dimensionamento dos Carregadores. ........................................................................ 71

5.5 Grupo Motor Gerador........................................................................................................ 71 Captulo 6. Malha de Terra .......................................................................................................... 75

6.1 Corrente de Curto Circuito ................................................................................................ 80 6.2 Calculo da Tenso de Malha ............................................................................................. 82

6.2.1 Determinao dos Coeficientes Km e Ki. ................................................................... 83 6.3 Calculo da Resistncia Equivalente da Malha de Terra. ................................................... 85

Captulo 7. Sistema de Proteo .................................................................................................. 86 7.1 Aspectos Gerais Quanto Proteo. ................................................................................. 86

7.1.1 Tipos de Proteo ...................................................................................................... 86 7.1.2 Caractersticas dos Rels ........................................................................................... 87 7.1.3 Filosofia de Proteo Utilizada ................................................................................. 87

7.1.3.1 Proteo Diferencial LT ................................................................................. 88 7.1.3.2 Proteo de Distncia .................................................................................... 89 7.1.3.3 Proteo Sobrecorrente Direcional .............................................................. 89

7.1.4 Proteo da Linha Cascavel Oeste Foz do Iguau Norte 230 kV ........................... 90 7.1.5 Proteo de Barra ...................................................................................................... 93 7.1.6 Proteo dos Autotransformadores ........................................................................... 95 7.1.7 Proteo do Servio Auxiliar .................................................................................... 98

Captulo 8. Concluses .............................................................................................................. 101 Referncias Bibliogrficas ........................................................................................................... 102 Anexo I Principais Aspectos do Relatrio de Viabilidade Tcnico-Economica - Estudo de expanso para a regio de Foz do Iguau Julho/2002 ....................................................... 104 Anexo II Desenhos e diagramas Unifilares ........................................................................... 129

viii

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Comparativa da Anlise de Custos [4] ............................................................................. 13

Tabela 2 - Perdas hmicas (MW) - Regio de Foz do Iguau [4] .................................................... 14

Tabela 3 - Comparativo entre as Expanses [4] ................................................................................ 14

Tabela 4 - Espaamentos Eltricos [23] ............................................................................................ 22

Tabela 5 - Lista de Equipamentos ..................................................................................................... 24

Tabela 6 - Potncias e Correntes para cada Estgio de Ventilao ................................................... 25

Tabela 7 - Resultados Ensaios [25] ................................................................................................... 26

Tabela 8 - Impedncia do Autotransformador [25] ........................................................................... 27

Tabela 9 - Constantes X/R e de Tempo para Capacidade de Interrupo de Curto-Circuito [8] ...... 31

Tabela 10 - Cargas Nominais Transformadores de Potencial ........................................................... 40

Tabela 11 - Classe de Exatido para Medio TP's .......................................................................... 40

Tabela 12 - Classe de Exatido para Proteo TP's .......................................................................... 41

Tabela 13 - Cargas Nominais Secundrias - ABNT .......................................................................... 45

Tabela 14 - Tenses Normalizadas do Secundrio TC's ................................................................... 46

Tabela 15 - Relao de TAP's TC 230 kV ........................................................................................ 48

Tabela 16 - Relao de TAP's TC 138 kV ........................................................................................ 50

Tabela 17 - Caractersticas dos Disjuntores de Alimentao ............................................................ 58

Tabela 18 - Caractersticas dos Disjuntores de Distribuio ............................................................. 59

Tabela 19 - Caractersticas dos Contatores ....................................................................................... 59

Tabela 20 - Caractersticas dos Transformadores de Corrente .......................................................... 59

Tabela 21 - Caractersticas dos Transformadores de Potencial ......................................................... 60

Tabela 22 - Caractersticas dos Rel Subtenso Trifsica ................................................................. 60

Tabela 23 - Caractersticas dos Voltmetros...................................................................................... 60

Tabela 24 - Caractersticas do Ampermetro ..................................................................................... 61

Tabela 25 - Caractersticas Chave Seletora ....................................................................................... 61

Tabela 26 - Cargas 220/127 Vca QDN ............................................................................................. 63

Tabela 27- Cargas 220/127 Vca QDE ............................................................................................... 64

Tabela 28 - Cargas Momentneas 1 minuto de Durao ................................................................... 65

Tabela 29 - Cargas Momentneas 10 mi nutos de Durao .............................................................. 65

Tabela 30 - Cargas Permanentes por 5 horas de Durao. ................................................................ 66

Tabela 31 - Cargas com 10 minutos de Durao ao Final do Ciclo. ................................................. 66

Tabela 32 - Caractersticas Disjuntores Alimentao CC ................................................................. 67

Tabela 33 - Caractersticas Disjuntores Distribuio CC .................................................................. 67

Tabela 34 - Caractersticas Voltmetro .............................................................................................. 67

Tabela 35 - Caractersticas Ampermetro .......................................................................................... 68

Tabela 36 - Caractersticas Rel Subtenso ...................................................................................... 68

Tabela 37 - Caracterstica Rel de Sobretenso ................................................................................ 68

Tabela 38 - Caractersticas rel de Fuga a Terra ............................................................................... 68

Tabela 39 Cargas Essenciais em 480 Vca ...................................................................................... 72 Tabela 40 - Cargas Essenciais QDN 220 Vca ................................................................................... 73

Tabela 41 - Cargas Essenciais QDE 220 Vca ................................................................................... 74

Tabela 42 - Resistividade do Solo ..................................................................................................... 76

Tabela 43 - Nveis de Curto-Circuito SE Foz do Iguau Norte ........................................................ 81

Tabela 44 Alternativas de Malhas de Terra [1] .............................................................................. 84 Tabela 45 - Coeficientes Km e Ki para as Alternativas de Malhas [1] ............................................. 84

ix

Lista de Figuras Figura 1 - Topologia Atual da regio de Foz do Iguau [4] ................................................................ 4

Figura 2 - Regio da Implantao da Subestao Foz do Iguau Norte [26] .................................... 18

Figura 3 - Unifilar Simplificado da Subestao Foz do Iguau Norte .............................................. 19

Figura 4 - Relao de TAP's do Autotransformador [14] ................................................................. 28

Figura 5 - Perfil Consumo da Bateria ................................................................................................ 70

Figura 6 - Ilustrao das Tenses de Contato e Passo ....................................................................... 77

Figura 7 - Esquema Operao Proteo Diferencial ......................................................................... 88

Figura 8 - Ligao de Rel Sobrecorrente Direcional Barra .......................................................... 90

Figura 9 - Esquema Proteo de LT .................................................................................................. 91

Figura 10 - Unifilar Proteo de barra 230 kV .................................................................................. 94

Figura 11 - Unifilar Proteo de Barra 138 kV ................................................................................. 95

Figura 12 - Unifilar de proteo do Autotransformador ................................................................... 97

Figura 13 - Unifilar de Proteo de TRSA1 ...................................................................................... 98

Figura 14 - Unifilar Proteo TRSA2 ............................................................................................. 100

x

Resumo

notria a necessidade de expanso do sistema eltrico brasileiro devido

ao crescente aumento do consumo de energia dos ltimos anos. As resolues

dos problemas relacionados gerao e transmisso de energia tornaram-se

pontos estratgicos dentro da poltica brasileira, comprovado nos ltimos anos

com a criao da Empresa de pesquisa Energtica (EPE) que est relacionada

com a expanso do Sistema Interligado Nacional (SIN).

Esta expanso dar-se- pela construo de usinas de gerao de energia,

em conjunto com as linhas de transmisso e subestaes, que so elementos

dentro do sistema de potncia que caracterizam por distribuir a produo de

energia eltrica.

O presente trabalho tem por finalidade elaborar o anteprojeto da

Subestao Foz do Iguau desde a abordagem na definio das alternativas de

expanso do sistema at o dimensionamento dos componentes de uma

subestao em 230/138 kV. A regio em questo apresenta como caracterstica

um forte plo turstico, somado ao crescimento do nmero de empresas e tambm

da populao local, que em conjunto proporcionam um mercado consumidor em

potencial.

1

Captulo 1. Introduo

1.1 Consideraes do Sistema Eltrico Brasileiro:

Atualmente, o setor eltrico brasileiro passa por constantes mudanas em

todos os seus aspectos, como por exemplo ocorre: na produo e na transmisso

de energia eltrica. Dessa forma, constatou-se, no discorrer do crescimento

econmico, a necessidade de ampliao da infra-estrutura energtica, para que se

possa atender a crescente demanda do consumo.

De acordo com o exposto, deve-se ressaltar que o crescimento dos

investimentos neste setor estratgico acarreta uma ampliao e uma

modernizao do sistema eltrico nacional. Assim, aps perquirir os problemas de

suprimento da dcada passada, houve uma injeo de crditos nos grandes

empreendimentos para a interligao nacional. Nesse sentido h que se ter como

exemplo a UHE de Belo Monte no Rio Xing, que ser a maior obra financiada

pelo BNDES, bem como deve se em mente que a transmisso dar-se- por meio

de sistema em corrente contnua.

1.2 Objetivos:

Este trabalho tem como finalidade estabelecer as diretrizes bsicas para o

anteprojeto da subestao Foz do Iguau Norte, ao basear-se nos conceitos

estabelecidos pelo Edital ANEEL 006/2005 Anexo 6G, bem como nos estudos

de viabilidade de implantao do projeto.

O anteprojeto, por sua vez, est elaborado de acordo com as diretrizes

estipuladas no estudo descrito no Captulo 2, que definiu a melhor opo de

expanso para a regio de Foz do Iguau. Avaliaram-se, ento, duas alternativas:

a primeira sem expanso do sistema eltrico, que se baseou apenas nas

modificaes das operaes das linhas de transmisso da regio; a segunda

refere-se trs alternativas com expanso da transmisso da regio.

2

Posteriormente, escolheu-se aquela que apresentava o binmio de qualidade de

atendimento da demanda a menor custo.

Por conseguinte, partiu-se para os parmetros propriamente ditos do

anteprojeto, em que se descreveram as caractersticas da implantao da

subestao, tais como:

o arranjo fsico dos setores de 230 kV e 138 kV;

o pr-dimensionamento dos equipamentos de ptio;

detalhamento dos servios auxiliares, como ocorre com as baterias,

os retificadores e o grupo motor-gerador;

memria de clculo da malha de terra;

descrio da filosofia de proteo.

Diante disso, observar-se- no decorrer do presente estudo a necessidade

da ampliao do sistema de transmisso da regio de Foz de Iguau, uma vez

que foi comprovada que a atual topologia no supedneo para a demanda de

consumo.

3

Captulo 2. Anlise Tcnica e Econmica das Alternativas de Implantao.

2.1 Disposies Iniciais

O presente Captulo tem por finalidade apresentar os critrios e diretrizes

adotadas para definio da expanso do sistema eltrico da regio de Foz do

Iguau, em uma abordagem tcnico-econmico. O estudo completo est vinculado

neste trabalho como Anexo I.

2.2 Aspectos da Regio

Atualmente, o sistema de transmisso da regio de Foz do Iguau est

integrado radialmente subestao Cascavel 230/138 kV. Tal se d por meio de

duas linhas de transmisso em 138 kV, porm h que se ressaltar que uma delas

fora projetada e isolada em 230 kV.

Esta regio, por sua vez, tem como caracterstica o forte polo turstico, fato

que faz demandar cada vez mais energia eltrica para suprir as necessidades do

local. Dessa forma, imprescindvel que haja um estudo detalhado para

possibilitar um adequado atendimento s demandas energticas.

O sistema mencionado conta com as subestaes em 138 kV de Foz do

Iguau, de Vila Yolanda e do Portal, que servem para atender exclusivamente as

cargas de Foz do Iguau. Alm disso, entre Foz do Iguau e Cascavel esto

localizados outros centros de cargas, denominados Cu Azul e Medianeira, os

quais contribuem para aumentar a capacidade do sistema de transmisso. A

Figura 1 mostra a topologia da regio.

O atual sistema de transmisso, de certa forma, mostra-se insuficiente

para atender situaes de emergncia, pois o atendimento na regio feito por

meio da forma radial, o qual se d atravs de duas linhas de transmisso em 138

kV. Essa configurao apresenta srias restries de carregamento, uma vez

que em situaes de emergncia necessrio o corte de carga em dosagens

bastante significativas.

Desse modo, imprescindvel a elaborao de um estudo de ampliao do

sistema eltrico na regio de Foz do Iguau, para que se possam atender as

restries encontradas no quadro de transmisso a seguir demonstrado.

4

Figura 1 - Topologia Atual da regio de Foz do Iguau [4]

2.3 Critrio de Viabilidade Tcnico-econmica.

Inicialmente, deve-se discorrer sobre o desenvolvimento da anlise tcnica,

a qual compreende um conjunto de requisitos necessrios, que servem para

avaliar as diferentes propostas de topologia. Dessa forma, ser possvel a

resoluo dos problemas de abastecimento das cargas na regio. Igualmente,

imperioso que se venha a ressaltar as fragilidades de cada proposta alternativa.

Assim, ao se apresentar as propostas de correo dos defeitos, torna-se

importante que se faa uma analise econmica de cada uma das alternativas

apresentadas.

Posteriormente, avaliar-se- as questes econmicas, as quais se

relacionam com o custo das obras e a perda hmica. Fato esse que ser

5

abordado neste estudo em seguida analise tcnica das alternativas de expanso

dos empreendimentos.

Convm perquirir que as analises tcnicas, por sua vez, so feitas por meio

do estudo do consumo dos anos de 2004, 2007 e no horizonte de 2011. Para

tanto, importante ressaltar que essas avaliaes de demanda energtica

ocorrem com base em determinados requisitos necessrios. Estes tm como

alicerce alguns critrios para sua definio, os quais esto associados duas

condies de carregamento, conforme analisar-se-:

a) Cargas em condies normais (ou pesadas): compreendem o consumo

de carga relativo ao horrio de maior demanda, o que se d durante o

lapso do tempo entre 18:00 e 21:00 horas.

b) Cargas em condies de emergncia: so o funcionamento das

instalaes em condies em que no esto disponveis todos os

elementos projetados para o perfeito funcionamento do sistema eltrico.

Pode-se ter como exemplo: o transformador que se perdeu; o fato de

haver problemas de operao na linha de transmisso; ou ainda

quando h algum desligamento programado de qualquer linha de

transmisso ou de subestao referente ao sistema em questo.

Nesse contexto, as condies tcnicas j mencionadas refletem bastante

na anlise de fluxo de potncia das linhas de transmisso e das subestaes, que

so limitadas muitas vezes em casos para um perfeito funcionamento.

De acordo com o exposto em relao analise tcnica das alternativas de

expanso do sistema de transmisso, deve-se relatar uma questo das mais

importantes para a implementao dos projetos. Isso se d porque diante da

aprovao tcnica os projetos tm que passar por crivo econmico de viabilidade,

o que permitir a sua concretizao.

Alm disso, cabe avaliar que esse critrio econmico possui a funo de

desempate, porque existem vrias formas de se fazer uma expanso. Assim, pelo

fato de se tratarem de verbas pblicas, imperioso que se atendam as demandas

de suprimento do modo que gere o menor gasto possvel para o consumidor.

Analisa-se, para tanto, um binmio de qualidade e preo para tais acrscimos

malha energtica brasileira.

6

Portanto, fica por demais evidente que os acrscimos ao Sistema

Interligado Nacional (SIN), para poderem ser implantados, devem atender aos

supracitados requisitos tcnico-ecnomicos. De fato, uma adio a malha

energtica deve ser suficiente do ponto de vista tcnico para garantir as

necessidades demandadas pelos consumidores. Outrossim, como essa situao

custeada por verba pblica no pode onerar os cofres pblicos. Isto posto, apenas

ser aprovado a implantao do projeto que se enquadra nesse perfil tcnico-

econmico, conforme dispe o art. 4, X, da lei 10.520.

Todavia, o projeto analisado por este estudo fora elaborado para solucionar

questes emergenciais de curto prazo. Fato esse que pode ser comprovado uma

vez que ao entrar em operao esse empreendimento estar prximo ao ano

horizonte de 2011, como adiante se analisar melhor no presente estudo.

2.4 Das Alternativas

2.4.1 Resolues sem ampliao de Linhas de Transmisso

Primeiramente, por meio do sistema de transmisso existente, cabe

analisar a possibilidade de tentar melhorar-lo no que se remete ao desempenho.

Esta hiptese pode ser mais bem interpretada ao se referir s LTs em 138 kV

entre Foz do Iguau e Cascavel, medida em que uma delas projetada e

isolada em 230 kV.

2.4.1.1 Operao em 230 kV da LT Cascavel Foz do Iguau e a Construo da subestao Foz do Iguau Norte

Esta alternativa prev a operao da LT Cascavel Foz do Iguau em 230

kV e a construo de uma nova subestao em Foz do Iguau, no qual passar a

ser o ponto de conexo da referida linha de transmisso.

Ao se adotarem os critrios de escolha das alternativas ora mencionadas,

poder-se- julgar a referida proposta de soluo, conforme se demonstrar:

Condies normais de operao no ano de 2004.

Por meio desta, os resultados apontados mostram que o sistema de

transmisso da regio pode operar. Porm observa-se que os transformadores da

7

subestao Cascavel operam perto de seu limite, o que permite pouca margem de

erro no fluxo de potncia desses equipamentos.

Condies de emergncia em 2004:

A condio acima referida pode ser interpretada pela perda do suprimento

das LTs em 138 kV. Este fato proporciona violao de tenso, no qual s

podero ser corrigidas se houver corte de cargas.

A perda de um dos autotransformadores de 150 MVA 230/138 kV da

subestao Cascavel, sobrecarregaria os outros dois autotransformadores a nveis

muito acima de sua capacidade operacional.

Portanto, alternativa em questo no foi exitosa em uma primeira rodada de

anlises.

2.4.1.2 Operao das linhas Cascavel Medianeira e Medianeira Foz do Iguau em 230 kV.

Esta alternativa remete-se a possibilidade de modificar o nvel de tenso

da operao do suprimento na regio. As linhas em questo foram projetadas e

isoladas para operar em 230 kV, portanto atendem a esta condio. A diferena

em comparar a alternativa acima seria modificar o nvel de tenso sem

acrescentar uma subestao nova.


O sistema no apresentou restries ou violaes de tenses que

necessitam ser citadas.

Condies de emergncia em 2004:

A perda do suprimento em 230 kV da subestao de Foz do Iguau

proporciona violaes de tenso, abaixo dos valores permitidos. Isto implicaria em

corte de cargas das subestaes Foz do Iguau e Vila Yolanda na ordem de 50%

para cada uma.

A dissipao da linha de transmisso em 138 kV entre Foz do Iguau e Vila

Yolanda acarreta em violao de tenso nas subestaes da regio, requerendo

para as subestaes Vila Yolanda e Portal um corte de carga na ordem de 30% e

o acrscimo de bancos shunt de capacitores na ordem 7,2 Mvars e 4,8 Mvars,

respectivamente, nessas subestaes.

8

Logo, as alternativas sem expanso do sistema de transmisso no

atendem sequer a anlise para o ano de 2004, no que tange as condies de

emergncia.

2.4.2 Resolues por Novas Linhas de Transmisso

Entende-se da necessidade de reforar o sistema de transmisso da regio

de Foz do Iguau, e sero apresentadas novas formas de suprimento, intituladas

abaixo:

Expanso em 138 kV

Expanso em 138 e 230 kV

Expanso em 230 kV.

2.4.2.1 Expanso em 138 kV.

A presente alternativa prev o seguinte leque de obras:

Construo da LT Cascavel Foz do Iguau , circuito duplo, com condutor

com bitola 397,5 kcmil, com 131 km de extenso, no qual um dos circuitos

ser seccionado na subestao Medianeira.


Nota-se em uma primeira anlise que os transformadores da subestao

Cascavel operam em condies prximas aos seus limites mximos, em que

pouco provvel que a presente expanso venha proporcionar a soluo do

suprimento da regio.

Condies de emergncia em 2004.

Com a perda de um dos autotransformadores da subestao Cascavel,

sobrecarrega-se os outros dois de tal forma a ultrapassar os limites tolerveis de

operao dos mesmos.

Portanto, a presente alternativa no atende s necessidades da regio.

9

2.4.2.2 Expanso em 138 e 230 kV.

Contm como soluo prevista nesta expanso a operao em 230 kV da

LT Cascavel Foz do Iguau, seccionada na SE Medianeira. Os novos pontos de

conexo dessa linha de transmisso passaro a ser pelas subestaes Cascavel

Oeste e Foz do Iguau Norte.

As obras previstas na expanso so:

Construo da subestao Foz do Iguau Norte 230/138 kV.

Construo da LT 138 kV Cascavel Foz do Iguau Norte, em circuito

duplo, cabo 397,5 kcmil, 126 km. Em primeira etapa ser feito o

lanamento apenas para um circuito, que ser posteriormente verificado

um eventual lanamento do segundo circuito, seccionado na subestao

Medianeira.

Condies normais de operao e de emergncia para o ano de

2004.

O sistema comportou-se de maneira satisfatria e atendeu aos requisitos

mnimos necessrios para operao nessas condies.

Condies normais de operao para o ano de 2007.

Mostrou-se suficiente, sem a necessidade de tecer comentrios. Condies de emergncia para o ano de 2007.

Verificou-se que as perdas mais significativas foram a de um

autotransformador da SE Cascavel e a LT Cascavel Oeste Foz do Iguau Norte.

No que diz respeito ao carregamento, face s perdas expostas acima, no foi

constatado maiores problemas. As cargas podero ser supridas normalmente.

Entretanto, constataram-se violaes de tenso quando se perde a LT

Cascavel Oeste Foz do Iguau Norte, o que torna necessrio a incluso de

bancos de capacitores nas subestaes Foz do Iguau, Vila Yolanda e Portal.

10


Mostrou-se satisfatrio, sem a necessidade de tecer algum comentrio. Condies de emergncia para o ano de 2011.

As situaes mais crticas seriam as perdas do sistema de 230 kV da

subestao Foz do Iguau Norte, a perda de um dos transformadores de 230/138

kV da mesma subestao, assim como a perda da LT 138 kV entre Foz do Iguau

Norte e Foz do Iguau, acarretariam restries de tenso e carregamento ao

sistema da regio.

A perda do suprimento da SE Foz do Iguau Norte requer o corte de 40%

das cargas das subestaes Foz do Iguau, Vila Yolanda e Portal. Este fato

implica na necessidade de ampliao desta expanso com o seguinte elenco de

obras:

Lanamento do segundo circuito de 138 kV na linha de circuito duplo j

existente entre Cascavel e Foz do Iguau Norte, com cabo 397,5 kcmil,

126 km;

Construo da LT 138 kV Foz do Iguau Norte Foz do Iguau, cabo 397,5

kcmil, 3 km.


Igualmente ao anterior, sem a necessidade de tecer algum comentrio. Condies de emergncia para o ano de 2011.

Mesmo que tenha sido lanado o segundo circuito, o quadro no se

modificou, e as restries apareceram novamente.

Fica evidente que reforar o sistema apenas em 138 kV no satisfaz as

condies de carregamento, o que torna necessrio um novo conjunto de obras a

seguir demonstradas:

Construo da LT Cascavel Oeste Foz do Iguau Norte, cabo 795 kcmil,

115km;

11

Instalao do segundo transformador 230/138 kV 150 MVA na

subestao Foz do Iguau Norte.

Condies normais e de emergncia para o ano de 2011.

Em seu ultimo nvel, a expanso mostra-se satisfatria sobre essas

condies. Logo, tecnicamente a presente expanso estar apta a prxima

anlise, que o custo do empreendimento.

2.4.2.3 Expanso em 230 kV.

Trata-se da ultima alternativa apresentada, no qual prev a seguinte

configurao adicional ao sistema:

Construo da LT Cascavel Oeste Foz do Iguau Norte, cabo 795 kcmil,

115km;

Construo da subestao Foz do Iguau Norte 230/138 kV, com um

transformador 230/138 kV 150 MVA.

Condies normais e de emergncia para ano de 2004.

A alternativa obteve xito nas condioes estabelecidas, o que leva a no

necessiade de maiores detalhes.


Mostrou-se satisfatrio, sem incluso de comentrios.

Condies de emergncia para o ano de 2007.

No foi constatado restrio de carregamento ao se considerar emergncia

para essa alternativa, a perda de um dos transformadores da subestao

Cascavel e a no operao da LT Cascavel Oeste Foz do Iguau Norte 230 kV.

Entretanto, na perda da LT mencionada no pargrafo anterior, ocorrer

violaes de tenso nas subestaes Foz do Iguu, Vila Yolanda e Portal. Para

correo desta adversidade, inclui-se a necessidade de ampliar ou implantar

bancos de capacitores.


O sistema no apresentou restries e violaes.

12


No tocante, considerada perda significativa da regio para esta

expanso, em virtude da queda do sistema em 230 kV da SE Foz do Iguau

Norte, inclui-se a este fato o autotransformador da mesma subestao, assim

como o corte de suprimento pela LT Foz Cascavel Oeste F. do Iguau Norte

Este fato provoca carregamentos inadmissveis nos autotransformadores

da subestao Cascavel, em que, talvez este equipamento seja o mais sensvel

ao carregamento em todo o sistema de transmisso da regio.

Em face a isto, ter-se-a como conseqncia a obrigao de corte de

suprimento na ordem de 30% das subestaes Foz do Iguau, Vila Yolanda e

Portal.

Em virtude desses problemas, tornou-se necessrio uma ampliao da

expanso. Como reforo desta alternativa inclui-se a operao em 230 kV da LT

Cascavel Foz do Iguau e a adio do seguinte conjunto de obras:

Operao em 230 kV da LT Cascavel Foz do Iguau (atualmente

seccionada na SE Medianeira), isolada em 230 kV e operando em 138 kV.

Na operao dessa linha em 230 kV os pontos de conexo passaro a ser

as SEs Cascavel Oeste e Foz do Iguau Norte;

Instalao do segundo transformador 230/138 kV 150 MVA na SE Foz do

Iguau Norte;

Construo da LT 138 kV Foz do Iguau Norte Foz do Iguau, cabo

397,5 kcmil, 3 km.

Condies normais e de emergncia para ano de 2011.

O sistema obteve bom comportamento, o que qualifica esta alternativa para

as prximas rodadas de anlise.

13

2.5 Anlise de Custo

Aplicar-se- esta seo, como critrio de desempate, anlise dos custos

das alternativas pr-selecionadas, haja visto que o atendimento tcnico mostra-se

satisfatrio para as opes de expanso que obtiveram xito at o momento.

Os custos definidos so realidade para o ano de 2002, todavia o ndice de

inflao mais utilizado em construes para infra-estrutura o IPCA, portanto ir-

se- aplicar para as alternativas as mesmas condies de reajuste, o que por sua

vez mantm as propores iniciais. No foi considerada nenhuma correo dos

valores entre os anos base de 2004, 2007 e 2011.

Basicamente, as expanses e todas as suas ampliaes basear-se-o nos

custos presentes definidos para cada projeto. Traou-se um cronograma dos

gastos conforme os anos definidos como referencia de consumo, que em suma

significa o conjunto de obras necessrias aos anos de 2004, 2007 e 2011. Os

valores globais tambm sero considerados.

Logo, em face ao exposto acima, segue na tabela 1 um resumo de cada

projeto.

Tabela 1 - Comparativa da Anlise de Custos [4]

Alternativa Valores

Presentes (R$) Custos

Globais (R$)

Expanso 138 kV e 230 kV 44.993.910,00 60.088.000,00

Expanso 230 kV 41.211.950,00 47.162.000,00

2.6 Anlise das Perdas hmicas

Esta nova etapa relata as diferenas das alternativas, que no quesito

perdas hmicas expe as desigualdades existentes em cada topologia. Nesse

contexto, a tabela a seguir mostra a realidade das expanses mencionadas.

14

Tabela 2 - Perdas hmicas (MW) - Regio de Foz do Iguau [4]

Alternativa Perdas

2004 2007 2011

230 kV e 138 kV 22,1 35,6 33,6

230 kV 21,8 34,8 34,4

Ao se tratar os dados acima, percebe-se que a alternativa em 230 kV e 138

kV apresenta um melhor desempenho para o ano de 2011, em virtude do

sobredimensionamento da ampliao prevista da alternativa para o mesmo ano.

Contudo, ao levar em considerao um juros anual de 12% e o preo base

referido ao ano de 2004 de R$ 56,32/MWh (Cmbio: R$ 1 = US$ 1,76

jun/2002), a alternativa 230 kV e 138 kV demonstra um desempenho superior a

alternativa em 230 kV. Logo, verificou-se uma diferena de R$ 131.135,00 em

favor da alternativa de 230 /138 kV.

2.7 Consideraes Gerais e Crticas.

Ao se levar em conta a adio das diretrizes de definio da alternativa,

conclumos a possibilidade de expanso do sistema de transmisso da regio de

Foz do Iguau, resumida na tabela abaixo.

Tabela 3 - Comparativo entre as Expanses [4]

Custos Totais (R$x1000) - Regio de Foz do Iguau

Alternativa Custos

Invest. Total VP Invest. VP Perdas Total (%)

230 kV e 138 kV 60.088,00 44.993,92 0 44.493,92 109

230 kV 47.162,00 41.211,96 131,14 41.343,10 100

Logo, a alternativa de expanso em 230 kV apresenta o melhor

desempenho no aspecto financeiro, com um atendimento adequado s

15

necessidades impostas pelos estudos de expanso. Esta alternativa ser

defendida no transcorrer deste projeto.

Todavia, vale ressaltar que o estudo relatado leva em considerao uma

soluo para um prazo imediato de consumo. Considera-se um ano horizonte de

2011 para estabelecer as bases de fluxo de potncia, que por sua vez dever-se-

o ano em que expanso dever entrar em operao. Alm disso, previsto para o

ano de 2011 um segundo elenco de obras para concretizar esta alternativa, logo

no ano de aplicabilidade dessa nova topologia do esquema eltrico da regio,

dever ser implantado mais um transformador na subestao de Foz do Iguau

Norte, mesmo antes de realmente ser til para soluo dos problemas de

abastecimento da regio.

H de se considerar dois fatores que julgam-se bastante razoveis ao

implementarmos um projeto de expanso:

a) Logstica para construo e, conseqentemente, entrada em

operao.

O estudo foi elaborado em 2002, mas o Leilo deste projeto

ocorreu em 2005 e o contrato de Concesso geralmente

assinado, no mnimo, seis meses depois da licitao por

prego presencial, logo pode-se considerar como o ano de

2006 para inicio das obras.

A construo de uma subestao, e neste caso para

complemento da expanso a LT cascavel Oeste Foz do

Iguau Norte, leva-se no mnimo 20 meses, prazo definido

pela ANEEL.

A Concessionria necessita de um tempo para ajustes finais

para enfim entrar em operao. Este tempo tem durao

aproximada de seis meses.

Este cronograma, no certame no cumprido em sua integralidade,

portanto os contratempos, ao qual no vale ressaltar por sua complexidade,

sempre ocorrem em qualquer obra, salvo raras excees.

16

Logo, a expanso mesmo antes de entrar em operao j requer um

complemento de obras.

b) Dimensionamento para solues em longo prazo.

Um estudo de expanso requer uma anlise bastante rigorosa

e detalhada, o que pode gerar maiores custos, portanto deve

ser mais bem aproveitado.

De forma alguma est se defendendo um super dimensionamento do

sistema de potncia, entretanto torna-se bastante interessante uma melhor

alternativa contemplando um estudo de consumo que tenha pelo menos uns

quatro ou cincos anos de operao sem a necessidade de ampliar mais a

topologia da regio. Para este projeto, acredita-se que o ano horizonte deveria ser

pelo menos 2014.

17

Captulo 3. Mdulo Geral

3.1 Consideraes Gerais.

Conforme critrio adotado no desenvolvimento do Captulo 2, no qual a

alternativa de expanso em 230 kV foi a mais adequada, ingressaremos no mrito

do incremento do projeto.

Este estudo se limita ao dimensionamento dos componentes da

Subestao Foz do Iguau Norte, porm, vale descrever um pequeno resumo do

projeto inteiro.

A subestao Cascavel Oeste dever ter em seu setor de 230 kV uma nova

entrada de linha, justamente para a LT Cascavel Oeste Foz do Iguau Norte. O

arranjo do setor de 230 kV da subestao em questo do tipo barra dupla com

disjuntor simples a quatro chaves.

A Linha de Transmisso Cascavel Oeste Foz do Iguau Norte em 230 kV

dever ter a capacidade operativa de longa durao para correntes de 714 A, ou

seja, o fluxo de potncia nas condies normais ser de aproximadamente 280

MVA. Em condies de emergncia a capacidade de corrente em curta durao

seria de 961 A, que para efeito quantitativo, ao considerarmos a tenso em 1 pu, o

fluxo de potncia em condies de emergncia dever ter seu valor mximo em

torno de 380 MVA. As diretrizes fixadas para valores de corrente operativa e de

curta durao esto estabelecidas pela norma tcnica NBR 5422 da ABNT.

3.2 Localizao da Subestao

As reas disponveis na regio do II distrito denominada Nova Veneza so

utilizadas para o plantio pelo sistema de rodzio de culturas, principalmente soja,

milho e trigo, conforme estao mais apropriada para cada uma. Toda a extenso

da rea disponvel para a construo da subestao est defronte aos ncleos

habitacionais Jardim das Palmeiras e Jardim Curitibanos at o Rio Mathias

Almada (prximo da Subestao de Furnas Itaipu).

18

O solo em argila marrom avermelhada, com topografia levemente

inclinada. A localizao dos ncleos habitacionais o ponto mais alto desta

regio, conforme Figura 2. Devido a essa inclinao, foi necessrio fazer

terraplenagem para nivelar toda a rea da subestao e elevar o terreno de forma

a ficar na mesma altura das residncias mais prximas, facilitando o acesso.

A regio tem como obstculo um crrego que passa prximo ao local da

subestao. Foi necessrio um trabalho de drenagem do terreno e, atravs de

manilhas localizadas em pontos crticos, o escoamento do crrego foi desviado

sem maiores problemas para o desenvolvimento da construo do projeto. As

chuvas foram levadas em conta com tempo de recorrncia de 50 anos, usual em

obra deste nvel, e considerando tempo de durao da precipitao igual ao tempo

de concentrao at o ponto de controle considerado.

Figura 2 - Regio da Implantao da Subestao Foz do Iguau Norte [26]

19

3.3 Arranjo Fsico

Para possibilitar a Construo da Subestao 230/138/13,8kV, de acordo

com o planejamento para a expanso futura que ter 3 entradas de linhas e 1

interligador de barras (transferncia) no setor 230kV, 2 transformadores de

potncia de 230/138/13,8kV, 7 entradas de linhas, 1 interligador de barras

(transferncia) no setor 138kV e servios auxiliares em 13,8kV, vias de acesso,

casa de controle entre outros, a rea mnima necessria a ser adquirida dever

ser de 60.000m2.

Constam nesta seo, os seguintes anexos, a saber:

Diagrama Unifiar;

Arranjo Fsico / Cortes Setores 230/138 kV;

A configurao bsica da subestao est mostrada na Figura 3.

Em 230 kV:

1 Autotransformador 230/138 kV 150 MVA

1 Mdulo Geral

1 Entrada de Linha

1 Conexo de Transformadores

1 Interligao de Barras

Em 138 kV:

1 Conexo de Transformadores

1 Interligao de Barras

O arranjo de barramentos na nova subestao de Foz do Iguau Norte

deve ser do tipo barra dupla com disjuntor simples a quatro chaves no setor de

230 kV e ser utilizada a configurao em barra principal e de transferncia no

setor de 138 kV.

Figura 3 - Unifilar Simplificado da Subestao Foz do Iguau Norte

20

3.3.1 Caractersticas do Sistema de 230 kV

Os principais parmetros do sistema 230 kV so:

a) Tenso nominal (kV, eficaz).......................................................................230

b) Tenso mxima operativa do sistema, fase-fase (kV, eficaz)....................242

c) Tenso mxima suportvel em condies de emergncia durante 1 hora

(Vmax, kV).................................................................................................253

d) Tenso mxima dinmica (Umax,kV)........................................................322

e) Freqncia nominal (Hz)..............................................................................60

f) Neutro..........................................................................Efetivamente aterrado

3.3.1.1 Barra Dupla

Esta configurao tem como caracterstica a ligao dos circuitos, sendo

feito em sua maioria, de forma uniforme entre as duas barras.

Esta configurao permite a manuteno do dispositivo de manobra e

proteo sem a perda do circuito, porm apenas um por vez.

A subestao, em condies normais, opera com um disjuntor e duas

chaves seccionadoras que interligam as duas barras, de tal maneira que em caso

de uma das barras sofrer alguma falta ou manuteno, a outra continuar

operando. fato que a subestao agora ir trabalhar com a metade da

capacidade enquanto se efetua as manobras necessrias, atravs das chaves

seccionadoras, para liberar todos os circuitos da barra danificada conectando-os

aos circuitos a barra em operao.

Para a manuteno, em cada disjuntor existe uma chave que far by pass

mantendo o circuito conectado a barra.

3.3.2 Caractersticas do Sistema de 138 kV

Os principais parmetros do sistema 138 kV so:

a) Tenso nominal (kV,eficaz)........................................................................138

b) Tenso mxima operativa do sistema, fase-fase (kV, eficaz)....................145

c) Freqncia nominal (Hz)..............................................................................60

21

d) Neutro...........................................................................Efetivamente aterrado

3.3.2.1 Barra Principal e Barra de Transferncia.

Esta configurao tem como caracterstica a ligao de transformadores e

todas as linhas na barra principal, garantindo assim uma boa continuidade de

servio.

Os disjuntores em comum possibilitam maior flexibilidade de operao,

aumentando as manobras possveis dos equipamentos.

A manuteno do dispositivo de manobra e proteo poder ser feita sem

o desligamento do circuito, todavia dever ser um de cada vez. Para este projeto,

apenas um circuito est associado a esta configurao, entretanto esto previstos

mais 6 circuitos pela Concessionria local.

3.3.3 Estruturas

A subestao ser composta inicialmente por dois prticos metlicos, uma

para cada setor de tenso, previsto para chegada de uma linha de transmisso

em 230 kV (Cascavel Oeste Foz do Iguau Norte) e trs sadas para o bay 138

kV.

3.3.4 Espaamentos Eltricos

O espaamento entre os condutores, bem como a altura dos mesmos em

relao ao solo seguir o padro da COPEL. Na Tabela 4 esto mostrados os

valores padro de distncia entre condutores e do condutor terra.

3.3.5 Barramento

O barramento ser flexvel em ambos os setores, por meio dos cabos de

alumnio CAA 795 MCM DRAKE e CAA 636 MCM GROSBEAK para os setores

de 230 kV e 138 kV respectivamente, no qual sero quatro por fase para evitar o

efeito corona.

22

Tabela 4 - Espaamentos Eltricos [23]

Tenso Nominal

kV

Tenso Mxima do

Equipamento kV (1)

Tenso Suportvel Nominal de

Impulso Atmosfrico kV Crista (2)

Espaamentos em metros (8)

Altura Mnima

Barramento Horizontal

Sobre o Solo (m) (9)

Altura Recomendada Sobre Estradas (metros)

Isolamento em Locais

sem Poluio

Nmero de Isoladores

de Disco/Cadeia

Fase-Terra (3)

Fase-Fase (4)

Eixo a Eixo de Fases com

Equipamentos

Mnimo Metal a Metal Mesmo Circuito

Circuito Diferente

Secundrias De Servios COPEL

13,8 15 110 0,20 0,30 3,00 6,00 2(5)

34,5 38 200 0,38 0,48 3,00 6,00 4(5)

69 72,5 350 0,69 0,79 2,00 3,00 3,00 4,55 6,00 6(6)

138 145 550 1,10 1,25 2,50 4,00 3,60 4,55 7,50 10(6)

138 145 850 1,30 1,45 3,00 5,00 3,60 4,55 7,50 10(6)

230 242 850 1,60 1,90 4,00 8,00 4,50 5,60 8,50

230 242 950 1,70 2,10 4,00 8,00 4,50 5,60 8,50

230 242 1050 1,90 2,30 4,00 8,00 4,50 5,60 8,50 16(6)

23

Captulo 4. Equipamento de Ptio

Nesta seo, far-se- uma descrio sucinta dos equipamentos, assim

como uma pequena descrio da funo de cada um.

Por meio do Anexo II, no qual esto representadas a posio dos

equipamentos em funo da locao dos outros, bem como pela escolha definida

no arranjo fsico dos setores de 230 e 138 kV, poder-se-ia estabelecer uma

listagem bsica de todos os equipamentos do ptio.

Em geral, os equipamentos sero alocados na parte externa da

subestao, longe de paredes. Para isto necessrio se levar em conta os

seguintes aspectos climticos:

a) Altitude em relao ao nvel do mar: at 1000 m;

b) Temperatura mnima anual: - 5C;

c) Umidade relativa mdia anual: maior que 80 %;

d) Velocidade mxima do vento: 120 km/h.

Os parmetros bsicos para qualquer um dos equipamentos de ptio

dever atender as seguintes condies dos sistemas:

a) Setor 230 kV

Potncia nominal da subestao Foz do Iguau Norte: 150 MVA

Tenso de operao: 230 kV

Corrente nominal: 376,5 A

b) Setor 138 kV

Potncia nominal da subestao Foz do Iguau Norte: 150 MVA

Tenso de operao: 138 kV

Corrente nominal: 627,5 A

Estes valores dever-se- ter como base no estudo do dimensionamento dos

equipamentos, em cada setor.

24

Tabela 5 - Lista de Equipamentos

Equipamento Qtd. Setor

230 kV Qtd. Setor

138 kV

Transformador de potencial capacitivo 8 4

Transformador de corrente 9 6

Chave tripolar semi-pantogrfica fech. vertical 4 1

Chave tripolar sem Lmina de Terra (dupla abertura lateral) 5 0

Chave tripolar com Lmina de Terra (dupla abertura lateral) 1 0

Chave tripolar sem Lmina de Terra abertura vertical 0 4 Disjuntor tripolar 3 2

Pra-raios 6 3

Isolador de pedestal 18 4

4.1.1 Autotransformadores de Potncia

So os elementos dentro de um sistema de potncia capazes de modificar

tenses e correntes, de modo proporcional, a fim de manter a mesma potncia,

por meio da seguinte relao:

VPIP = VSIS + VTIT

No qual:

VP: Tenso do lado primrio (alta tenso)

IP: Corrente do lado primrio (alta tenso)

VS: Tenso do lado secundrio (mdia tenso)

IS: Corrente do lado secundrio (mdia tenso)

VT: Tenso do lado tercirio (baixa tenso)

IT: Corrente do lado tercirio (baixa tenso)

A presente subestao caracterizada por ser uma subestao

abaixadora, pois tem como finalidade baixar as tenses de transmisso para o

nvel da Concessionria local. O elemento transformador de potencial de 230/138

kV, neste caso especfico, trata-se de um banco de autotransformadores trifsico

25

por meio de ligaes em estrela aterrado no primrio e no secundrio e delta no

tercirio.

O equipamento dever ser capaz de operar de acordo com a norma ABNT

NBR-5416 e com a resoluo normativa ANEEL n 191, de 12/12/2005.

O autotransformador trifsico dever ter em suas caractersticas 230/138

13,8 kV 90/120/150 MVA, com comutador de derivao sobre cargas, a fim de

manter a tenso controlada no setor de 138 kV.

As caractersticas para cada enrolamento, no que tange as potncias so

as seguintes:

Primrio: 90 / 120 / 150 MVA (ONAN / ONAF I / ONAF II)

Secundrio: 90 / 120 / 150 MVA (ONAN / ONAF I / ONAF II)

Tercirio: 4,5 / 6,0 / 7,5 MVA (ONAN / ONAF I / ONAF II)

Esta informao esclarece as condies nominais de operao para cada

enrolamento, em funo do tipo de resfriamento utilizado, a saber:

ONAN: leo natural e ar natural.

ONAF I: leo natural e ventilao de ar forado

ONAF II (OFAF): leo natural e ventilao de ar forado II (resfriamento

leo forado e ventilao ar forado).

Os parmetros de operao para cada uma das situaes expostas acima

so:

Tabela 6 - Potncias e Correntes para cada Estgio de Ventilao

Resfriamento 13,8 kV 138 kV 230 kV

Snom (MVA)

I operao (A)

Snom (MVA)

I operao (A)

Snom (MVA)

I operao (A)

ONAN 4,5 188,3 90,0 376,5 90,0 225,9

ONAF I 6 251,0 120,0 502,0 120,0 301,2

ONAF II 7,5 313,8 150,0 627,6 150,0 376,5

Qualquer elemento operando no sistema de potncia impacta no circuito de

forma a gerar perdas, pois em um sistema real a potncia gerada no est

disponvel para o consumidor. Assim, ao se considerar as perdas previstas neste

equipamento, realizam-se dois ensaios bsicos: ensaio de curto-circuito e ensaio a

vazio.

26

a) Ensaio de curto-circuito: tem como finalidade obter as perdas no

enrolamento. Desse modo, consiste em por o lado de baixa tenso

em curto-circuito (neste caso o lado em questo o de 138 kV) e

aplicar uma tenso, que geralmente em torno de 10 a 15% do valor

nominal, no lado de alta tenso (230 kV) para obter a corrente

nominal. Medem-se, pois, com base na corrente nominal a tenso e

a perda em Watts.

b) Ensaio a vazio: compreende em obter as perdas atribudas

magnetizao e correntes parasitas. Esse ensaio realizado ao

deixar em aberto o lado da alta tenso e aplicar tenso nominal no

lado da baixa do transformador. Com base na tenso nominal,

medem-se as perdas em Watts e corrente de magnetizao.

Os resultados obtidos atravs dos ensaios mencionados seguem resumidos

na tabela abaixo 7.

Tabela 7 - Resultados Ensaios [25]

Dados de Ensaio

Base Potncia - Tenso 150 MVA - 230/138 kV

Perdas em Vazio 41 kW

Perdas Totais 430 kW

Impedncia 10%

Corrente de Excitao 0,3%

O rendimento (R) do autotransformador pode ser calculado atravs da

seguinte relao:

R = 1-(Perdas/Pentrada)

Ao considerarmos um fator de potncia de 0,85, portanto, o rendimento

ser:

R = 1-(430kW/(0,85x150MVA)

R = 99,7 %

De fato, o rendimento em equipamentos eltricos geralmente alto.

27

Levando-se em considerao a impedncia equivalente do banco de

autotransformadores ao sistema de potncia, temos o seguinte valor:

Tabela 8 - Impedncia do Autotransformador [25]

Impedncia Garantida (base prpria) Impedncia ( base do sistema - 100 MVA)

Relao de tenso

Base Impedncia

em % Base do sistema

Impedncia em %

Impedncia em pu

230 / 138 kV 150 MVA 10 100 MVA 6,67% Xps = 0,0667

Segue, portanto, resumo das principais caractersticas do banco de

autotransformadores monofsicos.

4.1.1.1 Potncia Nominal Contnua

a) 90 MVA..................................................................................................ONAN

b) 120 MVA..............................................................................................ONAF I

c) 150 MVA.............................................................................................ONAF II

4.1.1.2 Ligao Trifsica do Autotransformador

a) Enrolamento AT....................................................................estrela, aterrado.

b) Enrolamento MT...................................................................estrela, aterrado.

c) Enrolamento Tercirio..............................................................................delta

4.1.1.3 Valores Nominais de Tenso (fase-fase)

a) Enrolamento AT.....................................................................................230kV

b) Enrolamento MT....................................................................................138kV

c) Enrolamento Tercirio...........................................................................13,8kV

d) TAPS no enrolamento de 138 kV...........................................................10%

tenso nominal - 16 tapes para cima, 16 para baixo e 1 tape central,

conforme figura 4.

28

4.1.1.4 Dados de Curto-Circuito

O dimensionamento do equipamento dever considerar os requisitos de

curto-circuito prescritos na norma ABNT NBR-5356.

a) Lado de AT:.............................................................................................40KA

b) Lado de MT:............................................................................................20KA

4.1.1.5 leo

O leo isolante dever ser cido, refinado a partir de leo cru de base

naftnica isento de aditivo de qualquer espcie, seja natural ou sinttico.

Figura 4 - Relao de TAP's do Autotransformador [14]

29

4.1.2 Disjuntores

Estes equipamentos so classificados como dispositivos de manobra

capazes de estabelecer e de interromper a conduo de correntes eltricas. Tal

critrio se deve aos equipamentos de superviso, de controle e de proteo que

estabelecem as diretrizes de operao ideal da subestao.

A atuao do disjuntor est estabelecida ao encontro de parmetros

necessrios para proteo da subestao, ou afins, tais como:

Abertura de forma rpida em caso de falta

Interrupo e estabelecimento de correntes eltricas a plena carga.

Capacidade de suportar tenso do sistema, mantendo as caractersticas

do isolamento.

Estabelecimento rpido do circuito em caso de falta sbita, eliminando o

defeito.

O presente equipamento capaz de extinguir os arcos eltricos, bem como

os efeitos mecnicos em determinado ciclo da corrente eltrica de curto-circuito,

uma vez que este defeito o mais severo. Esse mtodo baseia-se em eliminar a

falta atravs do tanque em meio isolante (gs SF6), que liberado aps

acionamento pelo sistema de proteo.

4.1.2.1 . Caractersticas Nominais

As caractersticas nominais bsicas dos disjuntores so as seguintes:

Tenso nominal definida como a mxima tenso do sistema no qual o

disjuntor ser aplicado.

Nvel de Isolamento baseado nas tenses de impulso e nas tenses

de freqncia industrial que o disjuntor pode suportar.

Freqncia nominal a freqncia nominal de um disjuntor a mesma

do sistema em que este ser utilizado, no caso do Brasil 60 Hz.

30

Corrente nominal o valor eficaz que o disjuntor capaz de conduzir

continuamente, na freqncia nominal, sem exceder os limites de

temperatura.

Corrente de interrupo nominal de curto circuito a mxima corrente

de curto circuito que um disjuntor ser capaz de interromper sob as

condies de uso e funcionamento em um circuito.

Corrente de Curta Durao Admissvel o valor eficaz da corrente que

o disjuntor pode conduzir por um perodo especificado de tempo (1

segundo ou 3 segundos).

Valor de crista da corrente admissvel o valor de crista da corrente que

o disjuntor pode conduzir sem deteriorao de seu material.

Tenso Transitria de Restabelecimento Nominal (TTR) a tenso de

referencia que constitui o limite que o disjuntor capaz de interromper,

na ocorrncia de um curto-circuito em seus terminais.

4.1.2.2 Dimensionamento do Equipamento

Para o arranjo fsico adotado neste projeto, no setor de 230 kV sero

necessrios trs disjuntores. Um deles ter a finalidade de interligar os

barramentos, outro ser o disjuntor na chegada da Linha de Transmisso vinda de

Cascavel Oeste, e o terceiro disjuntor far a conexo com o banco de

transformadores.

Seguem abaixo as principais caractersticas desses equipamentos.

a) Tenso nominal (kV, eficaz):........................................................................242

b) Freqncia nominal (Hz):................................................................................60

c) Fator de primeiro plo:...................................................................................1,3

d) Corrente nominal (A, eficaz):......................................................................2000

31

e) Capacidade de interrupo nominal em curto circuito:

componente alternada (kA, eficaz):................................................................40

A componente contnua da capacidade de interrupo de curto-circuito

dever seguir de acordo com as constantes X/R e de tempo indicadas abaixo:

Tabela 9 - Constantes X/R e de Tempo para Capacidade de Interrupo de Curto-Circuito [8]

Subestao X/R (ms)

Foz do Iguau Norte 7,09 18,81

4.1.2.3 Capacidade Nominal de Interrupo de Curto-Circuito.

a capacidade de fechamento do disjuntor sob curto-circuito, no qual a

tenso nominal est estabelecida.

Esta corrente de estabelecimento nominal em curto-circuito leva em conta o

maior valor de corrente, que corresponde ao primeiro pico aps o incio da falta.

a) Componente alternada (kA, eficaz)................................................................40

b) Percentual da componente de corrente contnua (%).................................22,8

c) Capacidade de estabelecimento nominal em curto-circuito, valor de crista

(kA, crista).....................................................................................................100

d) Valor de crista nominal da corrente suportvel (kA, crista)..........................100

e) Tenses de restabelecimento transitrias (TRT)................conforme norma

NBR IEC 62271-100

f) Seqncia nominal de operaes......................................O-0,3s-CO-3min-CO

g) Tempo mximo de interrupo...............................................................3 ciclos

h) Tolerncia mxima no valor do tempo nominal de interrupo (ms)..............+2

i) Diferena de tempo mxima entre plos para o fechamento tripolar (ms).......5

j) Capacidade de interrupo nominal para faltas na linha (faltas

quilomtricas)..........................................conforme norma NBR IEC 62271-100

k) Capacidade de interrupo nominal de linhas em vazio (A,eficaz)..............125

32

l) Capacidade nominal de interrupo e estabelecimento em discordncia de

fases.......................................................conforme norma NBR IEC 62271-100

Os disjuntores devero ser capazes de interromper as correntes associadas

abertura de transformadores energizados em vazio a 242 kV, uma vez que as

sobretenses de manobra produzidas no podem ultrapassar 2,1 pu (2,1 pu de

242 2 / 3 kV).

4.1.2.4 Tenso Suportvel Nominal a Impulso Atmosfrico.

terra, entre plos (kV, crista).............................................................................950

Entre contatos abertos..........................................................................................950

Os disjuntores de 138 kV fazem parte do bay de barras principal e

transferncia, logo um serve para a interligao de barras e o outro para conexo

dos autotransformadores. Seguem abaixo as principais caractersticas.

a) Tenso nominal (kV, eficaz):........................................................................145

b) Freqncia nominal (Hz):................................................................................60

c) Fator de primeiro plo:...................................................................................1,3

d) Corrente nominal (A, eficaz):......................................................................1250

e) Componente alternada (kA, eficaz)................................................................20

f) Percentual da componente de corrente contnua (%)....................................22,8

g) Capacidade de estabelecimento nominal em curto-circuito, valor de crista

(kA, crista).......................................................................................................52

h) Valor de crista nominal da corrente suportvel (kA, crista)............................52

i) Tenses de restabelecimento transitrias

(TRT).......................................................conforme norma NBR IEC 62271-100

j) Tempo mximo de interrupo..................................................................3 ciclos

k) Tolerncia mxima no valor do tempo nominal de interrupo (ms)..............+2

l) Diferena de tempo mxima entre plos para o fechamento tripolar (ms).......5

m) Capacidade de interrupo nominal para faltas na linha (faltas

33

quilomtricas)..........................................conforme norma NBR IEC 62271-100

n) Capacidade de interrupo nominal de linhas em vazio (A,eficaz)................50

o) Capacidade nominal de interrupo e estabelecimento em discordncia de

fases.......................................................conforme norma NBR IEC 62271-100

Os disjuntores devero ser capazes de interromper as correntes associadas

abertura de transformadores em vazio energizados a 145 kV, sem que as

sobretenses de manobra produzidas ultrapassem 2,1 pu (2,1 pu de 145 2 / 3

kV).

4.1.2.5 Tenso Suportvel Nominal a Impulso Atmosfrico.

terra, entre plos (kV, crista).....................................................................650

Entre contatos abertos (kV, crista) ..............................................................650

4.1.3 Chaves Seccionadoras

So dispositivos que tem por finalidade conectar e desconectar diversas

partes de uma instalao eltrica, para efetuar manobras de operao ou qualquer

aplicao de manuteno.

As seccionadoras podem abrir circuitos abaixo da tenso nominal, porm

nunca quando estiver conduzindo corrente. Antes de abrir o conjunto de

seccionadoras, sempre dever abrir primeiramente os disjuntores, uma vez que

este equipamento no tem a capacidade de realizar manobra em carga ou defeito.

Logo, a principal diferena entre disjuntores e chaves seccionadoras a

capacidade de interromper circuito com corrente.

H alguns fabricantes de seccionadores que aderem uma pequena cmara

de arco de gs SF6, que lhe permite abrir somente valores nominais das correntes

do circuito.

4.1.3.1 Classificao das Seccionadoras.

As chaves seccionadoras so formadas por uma base metlica de lmina

galvanizada com um conector para a terra; duas ou trs colunas de isoladores que

fixam o nvel bsico de impulso. O equipamento formado por uma parte mvel e

uma parte fixa, sendo por esta maneira estabelecida a abertura ou fechamento.

34

As chaves seccionadoras, de acordo com a posio que suporta a base e a

forma que tem o elemento mvel, podem ser classificadas quanto a abertura do

equipamento:

Horizontal:

Vertical reversa

Vertical

Pantogrfica

Semi-pantogrfica Vertical

4.1.3.2 Caractersticas Nominais

A seguir, definem-se algumas caractersticas desses equipamentos:

a) Tenso nominal a tenso eficaz para o qual o equipamento projetado para

o servio contnuo. Esta tenso deve ser igual a tenso operativa do sistema no

qual o dispositivo est instalado.

b) Corrente nominal o valor eficaz da corrente que o equipamento deve

conduzir continuamente sem exceder os valores de temperatura especificados

para os seus componentes;

c) Nvel de isolamento o valor da crista da tenso a ser suportada pela chave

entre as partes vivas e as aterradas, quando submetidas a um impulso com forma

de onda equivalente descarga atmosfrica. Esta tenso usada para definir o

nvel bsico de isolamento;

d) Corrente Suportvel Nominal de curta durao o valor eficaz da corrente

que a secionadora pode conduzir num perodo especificado de tempo (em torno

de 1 a 3 segundos).


No setor de 230 kV utilizam-se 4 chaves seccionadoras de abertura semi-

pantograffica vertical, sem lmina de terra, sendo uma delas para o ramal de by

pass e as outras para o ramal principal. O outro modelo utilizado do tipo dupla

35

abertura lateral, sendo 1 exemplar com lmina de terra, que est localizado na

entrada do ramal principal, e os outros 5 sem lmina.

Seguem abaixo as principais caractersticas eltricas desses

equipamentos :

a) Tenso nominal (kV, eficaz):............................................................................245

b) Tenso mxima suportvel em condies de emergncia

durante 1 hora (kV, eficaz)...............................................................................253

c) Freqncia nominal (Hz)....................................................................................60

d) Corrente nominal (A, eficaz)...........................................................................2000

e) Corrente suportvel nominal de curta durao (1s), para o seccionador e para a

lmina de aterramento (kA, eficaz) ....................................................................40

f) Valor de crista nominal de corrente suportvel, para o secionador e para a

lmina de aterramento (kA, crista)....................................................................104

g) Tenso suportvel nominal a impulso atmosfrico:

g.1) Para a terra e entre plos (kV, crista)........................................................950

g.2) Entre contatos abertos (kV, crista).........................................................1050

h) Tenso suportvel nominal freqncia industrial, a seco e sob chuva, 1 (um)

minuto:

h.1) Para a terra e entre plos (kV, eficaz).......................................................395

h.2) Entre contatos abertos (kV, eficaz)..........................................................460

i) Tenso suportvel nominal freqncia industrial, circuitos auxiliares, 1 (um)

minuto (kV, eficaz).............................................................................................2,0

j) Nvel mximo de rdio-interferncia para as chaves energizadas a 242/ 3 kV

(valor eficaz, fase-terra)....................................................... 2500 V, a 1000 kHz

k) Tenso fase-terra, valor eficaz, de inicio e extino de corona visual positivo

(kV, eficaz)........................................................................................................161

l) Comprimento mnimo da linha de fuga (mm).................................................6050

m) Limites de temperatura admissveis....................conforme tabela 9 da NBR-6935

36

No setor de 138 kV utilizam-se 4 chaves seccionadoras de abertura vertical,

sem lmina de terra. O outro modelo utilizado do tipo abertura semi-

pantografcia vertical, sem lmina de terra, para o ramal by pass.

Caractersticas Eltricas Principais do Equipamento:

a) Tenso nominal (kV, eficaz):...........................................................................145

b) Tenso mxima do sistema (kV, eficaz)..........................................................145

c) Freqncia nominal (Hz)...................................................................................60

d) Corrente nominal (A, eficaz)..........................................................................1250

e) Corrente suportvel nominal de curta durao (1s), para o seccionador e

para a lmina de aterramento (kA, eficaz) ....................................................20

f) Valor de crista nominal de corrente suportvel, para o secionador e para a

lmina de aterramento (kA, crista).................................................................52

g) Tenso suportvel nominal a impulso atmosfrico:

g.1) Para a terra e entre plos (kV, crista)...................................................650

g.2) Entre contatos abertos (kV, crista).......................................................650

h) Tenso suportvel nominal freqncia industrial, a seco e sob chuva,

1 (um) minuto:

h.1) Para a terra e entre plos (kV, eficaz)...................................................275

h.2) Entre contatos abertos (kV, eficaz).......................................................275

i) Tenso suportvel nominal freqncia industrial, circuitos auxiliares, 1 (um)

minuto (kV, eficaz).........................................................................................2,0

j) Nvel mximo de rdio-interferncia para as chaves energizadas a 145/ 3 kV

(valor eficaz, fase-terra)................................................... 2500 V, a 1000 kHz

k) Tenso fase-terra, valor eficaz, de inicio e extino de corona visual positivo

(kV, eficaz)......................................................................................................92

l) Comprimento mnimo da linha de fuga (mm).............................................3700

m) Limites de temperatura admissveis...............conforme tabela 9 da NBR-6935

37

4.1.4 Pra-Raios

So dispositivos destinados proteo dos outros componentes contra

sobretenses transitrias elevadas. Estes equipamentos devem atuar de forma a

limitar a magnitude dos impulsos de tenso, o que permite diminuir os riscos para

os outros equipamentos.

Estes equipamentos devem atuar de forma a:

- Limitar impulsos de tenso em equipamentos, descarregando para a terra

a corrente de surto que atinge a subestao;

- Ter uma boa capacidade de isolao tenso nominal, ou seja, no

adicionar riscos ao barramento ou linha ao qual conectado.

- Quanto classificao podemos dividir esses equipamentos em pra-raios

tipo vlvula e pra-raios tipo expulso.

a) Tenso nominal a mxima tenso de operao para a qual o pra-raios

capaz de interromper a corrente na freqncia do sistema. Ou seja, a mxima

tenso eficaz fase-terra em que o pra-raios pode ser instalado. Esta tenso o

fator determinante na escolha do equipamento ao levar-se em conta que a

mxima tenso temporria ocorre em uma fase s durante um curto monofsico.

De uma maneira geral pode-se dizer que:

Vnom = Vmax x fator de aterramento x fator de segurana

No qual:

Vmax = Tenso mxima de operao do sistema;

Fator de aterramento = 0,8 para sistemas efetivamente aterrados;

Fator de segurana = 1,05

b) Corrente de descarga a corrente de impulso ou de surto que percorre o

pra-raios.

c) Corrente nominal de descarga o valor de pico da corrente de descarga para

uma forma de onda 8/20s, utilizada para classificar os pra-raios. Neste projeto

utilizou-se uma corrente de 20 kA.

d) Tenso disruptiva de impulso o maior valor de tenso de uma onda de

impulso de polaridade determinada, que d maior valor aplicado aos terminais de

pra-raios, antes de sua descarga.

38

e) Tenso disruptiva freqncia industrial o valor eficaz da menor tenso

senoidal, de freqncia industrial, que produzir descarga quando aplicada aos

terminais do pra-raios.

Os pra-raios sero do tipo estao, de xido de zinco, sem centelhadores

(quer em srie, quer em paralelo), para uso externo em posio vertical, auto-

sustentveis, com base de montagem em ao fundido ou alumnio e montados

sobre isoladores de base para permitir a conexo de contadores de descarga e

miliampermetros. Possuem meios adequados de distribuio de potencial a fim de

assegurar que os mesmos operaro de modo seguro mesmo quando a superfcie

estiver altamente poluda.


No setor de 230 kV, a quantidade de 6 unidades sendo trs para entrada

da LT Foz do Iguau Norte-Cascavel Oeste e os outros trs localizados na entrada

de alta do autotransformador

Caractersticas Eltricas Principais do Equipamento

a) Tenso nominal do sistema (kV, eficaz):.........................................................242

b) Tenso mxima suportvel em condies de emergncia

durante 1 hora (kV, eficaz)...........................................................................253

c) Freqncia nominal (Hz)...................................................................................60

d) Corrente nominal de descarga (8 x 20 s, kA, crista).......................................20

e) Corrente de curta durao (4 x 10 s, kA, crista)............................................100

f) Nmero de Colunas.............................................................................................1

g) Valores mximos de surto de manobra, correspondentes a impulso de corrente

com frente de onda 30/60 s (kV, crista):

h.1) 1,0 kA.....................................................................................................390

h.2) 2,0 kA.....................................................................................................410

h) Tenses Residuais - valores mximos correspondentes s correntes nominais

8 x20 s (kV, crista):

i.1) 5 kA .......................................................................................................415

i.2) 10 kA......................................................................................................440

39

i.3) 20 kA......................................................................................................480

i) Nvel mximo de rdio-interferncia para as chaves energizadas a 242/ 3 kV

(valor eficaz, fase-terra)................................................... 2500 V, a 1000 kHz

j) Tenso fase-terra, valor eficaz, de incio e extino de corona visual positivo

(kV, eficaz)....................................................................................................161

k) Distancia de escoamento (mm)

Documents

Monografia-Projeto de Subestação