Arranjo Físico de Subestações

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SUMÁRIO
1.
SELEÇÃO DE ESQUEMA ELÉTRICO E ARRANJO FÍSICO DAS SE’s 500kV
01
1.1
SUBESTAÇÃO NO SISTEMA DE TRANSMISSÃO
01
1.2
SELEÇÃO DO ESQUEMA ELÉTRICO
01
1.3
ARRANJO FÍSICO ADOTADO
06
1.4
ARRANJO CONVENCIONAL OU TRADICIONAL
06
1.5
ARRANJO INVERTIDO
07
1.6
ANÁLISE COMPARATIVA DOS ARRANJOS
08
1.7
SEGURANÇA DA INSTALAÇÃO
08
1.8
FACILIDADES OPERACIONAIS E DE MANUTENÇÃO
09
1.9
FACILIDADE DE EXTENSÃO
09
1.10
PROTEÇÃO E CONTROLE
10
1.11
ESTÉTICA DE INSTALAÇÃO
10
1.12
CUSTO DA INSTALAÇÃO
10
1.13
CONCLUSÃO
10
1. SELEÇÃO DE ESQUEMA ELÉTRICO E ARRANJO FÍSICO DAS SE’s 500kV
1.1 SUBESTAÇÃO NO SISTEMA DE TRANSMISSÃO
O
sistema de transmissão de E.A.T. em 500kV da ELETROSUL é um sistema em corrente alternada, trifásico, constituída de linhas de transmissão e subestações, cuja função é transportar a energia elétrica produzida nas usinas de geração aos centros de distribuição e consumo.
Todas as subestações do sistema de transmissão têm pelo menos uma das seguintes funções:
· manobra de energia elétrica
· regulação da tensão de transmissão
· transformação para uma tensão mais baixa de subtransmissão
· interligação com outros sistemas
As subestações objeto da padronização 500kV, são projetadas para serem construídas e montadas a céu aberto, utilizando o ar como isolante entre as partes energizadas empregando equipamentos de manobra, proteção e medição do tipo convencional. As únicas áreas blindadas, ainda assim utilizando o ar como isolante, são os referentes aos cubículos e painéis dos serviços auxiliares, com tensão máxima de 13,8kV.
1.2 SELEÇÃO DO ESQUEMA ELÉTRICO
A análise comparativa dos vários esquemas elétricos (diagramas unifilares) foi efetuada em função dos seguintes elementos considerados:
· flexibilidade operativa: capacidade de se levar a efeito diversas mano-bras necessárias, quer seja para compor uma configuração requerida pelo sistema, quer seja para manutenção, afetando o mínimo possível a continuidade do serviço, e com um conjunto reduzido e simples de manobras.
· simplicidade do sistema de comando, controle e proteção: utilização relativa de poucos transformadores de corrente e potencial o que, além da economia proporcionada, reduz o número de possíveis fontes de defeitos, e além disso sistemas muito complicados requerem dispositivos de transferência e intertravamento, o que aumenta as possibilidades de defeito.
· facilidade de manutenção: devem ser levados em consideração vários fatores como:
a)
simplicidade e clareza do arranjo físico da subestação, pois facilita ao pessoal da manutenção a rápida visualização dos circuitos que estão energizados, bem como a imediata identificação das condições reais de serviço.
b) número de manobras necessárias para remover um elemento para manutenção.
c) independência de um circuito em relação aos outros no que diz respeito aos sistemas de comando, controle e proteção.
d) padronização e normalização de aparelhagem, estruturas, arranjos físicos e esquema de manobra, facilitando o aperfeiçoamento das rotinas de manutenção.
· facilidade de expansão: é um critério de fundamental importância e é justificada por algum dos seguintes motivos:
a)
necessidade de instalação de novos equipamentos de acordo com a evolução prevista nos estudos de planejamento.
b)
flexibilidade de instalação de equipamentos de acordo com as neces-sidades do sistema, possibilitando a implantação de eventuais altera-ções do planejamento.
c)
possibilidade de economia nos estágios iniciais de construção e operação do sistema, adiando-se parte dos investimentos para etapas futuras.
d)
necessidade de conversão de um esquema de manobra para outro durante a vida útil da subestação, a fim de se introduzir, à medida que o sistema cresça de importância e complexidade, uma maior flexibili-dade e/ou confiabilidade às subestações.
· confiabilidade dos arranjos: foram estabelecidos os seguintes critérios para a seleção dos esquemas elétricos das subestações e comparação dos mesmos quanto a confiabilidade:
a)
não foi admitida a saída de duas linhas em paralelo, ou a abertura de malha pela saída de duas linhas em série, devido a contingências simples em equipamentos da subestação.
b)
nas subestações transformadores 500/230 kV procurou-se minimizar a saída, por contingências simples, de dois bancos de transforma-dores.
c)
foi admitida a saída de duas linhas em série devido a defeito em componentes da subestação (contingências simples), sendo, no entanto, avaliada a freqüência, duração e probabilidade desse evento para os diversos esquemas de manobra estudados.
d)
não foi admitida a saída de linhas (ou transformadores) devido a defeito ou manutenção de equipamentos da subestação, a não ser daqueles diretamente ligados às linhas (ou transformadores).
e)
nas subestações transformadores 500/230kV não foi admitida a perda de potência maior que a correspondente a um banco de transforma-dores para defeitos em componentes da subestação 230kV.
f)
assegurar uma flexibilidade operativa compatível com a importância da rede 500kV, nessas condições, considerou-se que as manobras para manutenção e reparo dos equipamentos devam ser efetuados por intermédio de disjuntores, evitando-se assim a utilização apenas de chaves seccionadoras para aquelas operações.
· comparação dos esquemas quanto ao custo: 
a)
custo de equipamentos de manobra – disjuntor, chave seccionadora, transformador de corrente, divisor capacitivo de potencial e pára-raio.
b)
custo de confiabilidade – quantificação em US$ das interrupções devidas a falhas e/ou manutenção em componentes das subestações.
· simplicidade do arranjo físico: foram levados em consideração as seguin-tes observações de caráter geral na escolha dos esquemas de manobra:
a) a simplicidade do arranjo físico tem por finalidade facilitar ao máximo os trabalhos de construção, montagem, manutenção e operação da subestação. 
b) os equipamentos, estruturas, barramentos, devem ser dispostos da maneira mais uniforme possível, e em “bay’s” claramente definidos de modulações iguais, permitindo que “bay’s” ou zonas da subesta-ção sejam desenergizadas e sejam adequadamente definidos como seguros ou não para a manutenção ou operação. 
c) cruzamentos de linhas entre si, bem como sobre circuitos ou subestações de 230kV devem ser evitados. 
d) o número de níveis de condutores e barramentos deve ser reduzido ao mínimo e, preferivelmente, não ultrapassar dois níveis em para-lelo, por motivos de economia de estruturas, estética e facilidade de manutenção. 
e) o arranjo físico deve possibilitar a expansão da sub-estação sem grandes inconvenientes.
Baseando-se nos critérios de confiabilidade dos arranjos foram eliminados os esquemas de manobra constituídos por: barramentos simples; barramento duplo e barramento de transferência. Tais esquemas foram eliminados principalmente pelos seguintes pontos:
a) no caso de defeito num barramento (contingência simples) ocorre o desligamento de todos os circuitos conectados a esse barramento, havendo nesse caso, possibilidade de violação dos critérios a) e b) de confiabilidade dos arranjos.
b) a flexibilidade operativa fica bastante reduzida no caso de manobras para energização e desenergização de componentes.
Foram considerados os seguintes esquemas para prosseguimento da análise:
· disjuntor duplo, barra dupla – BDDD
· disjuntor duplo barra dupla modificada – DDBDM 
· disjuntor e meio – D1/2
· disjuntor e um terço – D1/3
· anel (simples ou múltiplo)
Figura 1 – Ilustração dos Vários Arranjos Físicos Analisados
Após análise conjunta dos vários aspectos considerados anteriormente, para a escolha do esquema elétrico mais apropriado, foi considerada de fundamental importância a possibilidade de padronização do esquema de manobra para as subestações.
Dessa análise, portanto, resultou na escolha do esquema disjuntor e meio, julgado o mais adequado para as subestações de 500kV do sistema da ELETROSUL, tendo sido esta escolha baseada nos seguintes pontos:
a) Da análise do custo, verificou-se queos esquemas disjuntor e meio (D1/2), disjuntor e um terço(D1/3) e disjuntor duplo barra dupla modifi-cado (DDBDM) – ligação aos bancos de transformadores feito somente por disjuntores simples – resultam valores intermediários de custo e de mesma ordem de grandeza. 
Os esquemas em anel (simples ou múltiplo, no caso de mais de 4 circuitos) e disjuntor duplo barra dupla (DDBD) apresentam custos 20% abaixo e 20% acima dos primeiros respectivamente.
b) As desvantagens dos esquemas de custos semelhantes, D1/3 e DDBDM, em relação ao D1/2 são os seguintes:
· O D1/3 poderia apresentar limitações de arranjo físico e como conse-qüência, condições desfavoráveis para a manutenção, além de apre-sentar mais dificuldades de expansão que o D1/2 e, não sendo, ainda, um esquema adaptável a todos os tipos de subestações da ELETROSUL, contrariando a possibilidade de padronização.
· O DDBDM apresenta uma reduzida flexibilidade operativa no que se refere às manobras dos transformadores diretamente ligados aos barramentos por seccionadoras e relativamente aos demais esquemas, apresenta também baixos índices de confiabilidade no caso de subestações com mais de dois bancos de transformadores.
c) A vantagem do esquema em anel sob o aspecto econômico, não justifi-ca a utilização do mesmo como o esquema mais apropriado para a configu-ração final do sistema, em virtude dos sérios inconvenientes relativos a:
-
Flexibilidade operativa e facilidade de manutenção, que são bastante prejudicadas pela necessidade de operação de até 3 disjuntores para isolamento de alguns circuitos.
-
Sistema de comando, controle e proteção se torna mais complexo que o dos demais esquemas, além de apresentar índices de confia-bilidade inferiores ao do D1/2.
d) Na comparação entre o esquema D1/2 e o DDBD, optou-se pela escolha do primeiro em função dos seguintes elementos:
-
Custo mais baixo (da ordem de 20% inferior ao do DDBD);
-
Melhores índices de confiabilidade que o DDBD.
-
Apesar de inferiores as do DDBD, as características de flexibilidade operativa, simplicidade dos sistemas de proteção e controle e facili-dade de manutenção do esquema D1/2 são julgadas altamente satisfatórias.
Tabela 1
Flexibilidade operativa
+ BDDD 
( D1/2, D1/3 
- Anel
Simplicidade do sist. com., cont. e proteção
+ BDDD
( D1/2, D1/3
- Anel
Facilidade de manutenção
+ BDDD, 
 ( D1/2
- D1/3, Anel
 Anel Simples
 Múltiplo
Facilidade de expansão
+ BDDD
 ( D1/2, Anel Múltiplo
- D1/3, Anel
 Simples
Simplicidade do arranjo físico
+ BDDD
 ( D1/2, Anel
- D1/3
Confiabilidade
+ D1/3, D1/2
 ( BDDD
- Anel
Custo
+ Anel
 ( D1/2, D1/3
- BDDD
As vantagens de se procurar um esquema padronizado residem principal-mente nas facilidades decorrentes de projeto, construção, operação e manutenção de subestações.
1.3 ARRANJO FÍSICO ADOTADO
Uma vez definido o esquema de manobra a um disjuntor e meio, tem-se como alternativas de arranjo os tipos convencional e invertido. A escolha do tipo de arranjo mais adequado foi feita com base em uma comparação técnica econômica.
1.4 ARRANJO CONVENCIONAL OU TRADICIONAL
Este tipo de arranjo desenvolve-se basicamente com grupos de três disjuntores e respectivos equipamentos associados em linha (chaves isoladoras e transformadores de corrente) e localizados internamente às barras principais. Os equipamentos inerentes a cada circuito de saída (chaves seccionadoras com lâminas de terra, bobinas de bloqueio, transformadores de potencial capacitivos e pára-raios, no caso típico de uma linha de transmissão não compensada), são localizadas externamente às barras principais.
Cada vão completo, corresponde a conexão de dois circuitos externos, exigindo quatro estruturas tipo pórtico, sendo duas localizadas internamente às barras principais, respectivamente entre o disjuntor central e cada disjuntor ligado à barra principal e duas localizadas externamente as referidas barras, permitindo a conexão de equipamentos pertencentes a cada circuito.
O
arranjo exige, portanto, três níveis de barramentos:
· Os barramentos de nível inferior, que realizam as conexões entre disjun-tores, transformadores de corrente e chaves seccionadoras isoladoras.
· Os barramentos de nível intermediário que correspondem aos barra-mentos principais.
· Os barramentos de nível superior, superpostos aos barramentos inferio-res, que realizam as conexões entre cada par de disjuntores (um de barra e o central) aos equipamentos pertencentes a cada circuito de saída.
No caso da ELETROSUL, os barramentos de nível inferior e intermediário são rígidos, com conexões entre ambas feitas através de estruturas tipo “A”, e os barramentos superiores flexíveis (arranjo em “bundle”), sendo igualmente flexíveis as conexões entre estes barramentos e os de nível inferior. Os desenhos das Figuras 2 e 3 em anexo, apresentam a configuração do arranjo convencional.
1.5 ARRANJO INVERTIDO
O
arranjo tipo invertido desenvolve-se basicamente com as barras principais colocadas lado a lado na parte central, com todas as aparelhagens de manobra localizadas externamente às mesmas.
Este arranjo pode apresentar diversas variantes para a disposição dos disjuntores e equipamentos associados, no caso presente foi considerada apenas a variante designada usualmente por arranjo em “C”. Neste arranjo os disjuntores ligados diretamente às barras principais são dispostos alinhadamente e em posições simé-tricas em relação as barras principais. O disjuntor central é localizado numa posição adjacente a um dos disjuntores de barra, sendo a ligação entre eles realizada por um barramento auxiliar que cruza as barras principais.
Este arranjo é muito favorável a adoção de barras rígidas em toda a sua extensão, com as interligações de barramentos em planos distintos realizados usual-mente por estruturas tipo “A”.
As estruturas tipo pórtico ou similar são externas não só as barras principais como também à toda a área de instalação dos equipamentos de manobra.
O
arranjo apresenta, portanto, apenas dois níveis de barramento na área de manobras, sendo que as conexões flexíveis ficam restritas às ligações entre os equipamentos dos circuitos de saída de linha e estes.
Os desenhos das Figuras 4, 5 e 6 em anexo, apresentam a configuração do arranjo invertido (em “C”).
1.6 ANÁLISE COMPARATIVA DOS ARRANJOS
Área de Implantação
Neste aspecto destaca-se nitidamente o arranjo convencional, pois requer uma área de implantação menor, resultando num movimento de terra menor, com redução de volumes de corte e aterro. A maior área de implantação para o arranjo invertido é devida basicamente à redução do número de níveis de barramentos (três no convencional contra dois no invertido), o que impõe a criação de um barramento auxiliar que requer um espaço adicional para sua instalação.
1.7 SEGURANÇA NA INSTALAÇÃO
a) As partes vivas devem ser localizadas de modo que veículos e pessoas possam se locomover dentro do pátio da subestação, sob condições plenas de segurança, respeitando-se os espaçamentos elétricos mínimos.
Sob este aspecto, o arranjo invertido se apresenta aparentemente superior desde que o acesso aos disjuntores, chaves isoladoras e transformadores de corrente possa ser realizado sem cruzamento com os barramentos principais. Mas esta vantagem vem se tornando menos relevante, visto que os equipamentos de E.A.T. em geral (principalmente os de manobra) vem evoluindo tecnicamente no sentido de terem uma maior confiabilidade de desempenho e de simplificação dos serviços de montagem/desmontagem e de transporte. Apesar da aparente vantagem do arranjo invertido, ambos os arranjos são projetados com condições de segurança satisfatórios.
b) O arranjo físico escolhido deve oferecer fácil visualização e “legibilidade” dos circuitos principais, de modo a minimizar erros de operação e facilitar inspeções.
Nesse aspecto, destaca-se nitidamente o arranjo convencional, pois a configuração alinhada para os disjuntores e equipamentos associados, oferece melhor visualização do esquema de manobra.
c) O arranjodeve possibilitar a realização de serviços numa barra quando as demais barras (principais ou auxiliares), estejam energizadas.
Ainda neste aspecto o arranjo convencional é superior, pois se uma barra principal é desenergizada para manutenção ou extensão, a zona fica pratica-mente “morta” ou desenergizada, a exceção de alguns barramentos superio-res. Mas esta é uma vantagem significativa do ponto de vista de segurança.
Já no arranjo invertido as barras transversais ligadas à barra principal que é mantida energizada, cruzam com as barras principais desenergizadas para manutenção, dando margem, portanto, a maiores confusões e acidentes.
Dos aspectos analisados, o arranjo convencional se destaca, muito em-bora o arranjo invertido possa se tornar equivalente com aumentos de escapamentos.
1.8 FACILIDADES OPERACIONAIS E DE MANUTENÇÃO
Do ponto de vista operacional, ou mais especificamente da segurança ope-racional, o arranjo convencional oferece menores possibilidades de erros operacionais, uma vez que o arranjo permite a mais rápida visualização e “legibilidade” do esquema de manobra.
Quanto aos aspectos de manutenção destacam-se:
a) A manutenção de barras principais é mais fácil no arranjo convencional.
b) A manutenção de disjuntores e equipamentos de manobra associados é aparentemente mais fácil no arranjo invertido, dada a maior acessibi-lidade aos citados equipamentos, proporcionada pela configuração do arranjo.
c) A manutenção de isoladores de núcleo sólido, devido à necessidade de limpeza dos mesmos, ou a substituições de colunas, é reduzido no ar-ranjo convencional, pois sua configuração impõe uma menor quantidade destes elementos.
d) Embora a manutenção de conexões soldadas seja praticamente inexis-tente, há que ser considerada a possibilidade de serem refeitas conexões sempre que ocorrerem substituições de colunas de isoladores ou de trechos de barras rígidas, mas ainda neste caso o arranjo convencional é mais vantajoso, desde que exija um menor número de conexões soldadas.
e) A manutenção de isoladores de suspensão (limpeza) ou substituição dos mesmos é mais difícil se tiver que ser realizada num arranjo conven-cional, dada a presença de três níveis de condutores, fato que torna o arranjo invertido superior neste aspecto.
Quanto à análise das facilidades de manutenção, esta dá leve superioridade ao arranjo convencional. As facilidades operacionais são praticamente as mesmas, tornando os arranjos equivalentes sob este ponto de vista.
1.9 FACILIDADE DE EXTENSÃO
No caso de adição de “bay’s” completos, seja em posições extremas ou em posições centrais a “bay’s” já em operação, os arranjos se apresentam aparentemente equivalentes, se bem que no arranjo convencional haverá sempre a possibilidade de montagem das estruturas tipo pórtico, interiores as barras principais, próximas a “bay’s” adjacentes, o que poderá exigir a desenergização temporária dos mesmos; esta dificuldade é minimizada, quando da implantação da etapa inicial, sejam instaladas as estruturas centrais cuja localização seja crítica, segundo este ponto de vista.
No caso de complementação de um “bay”, o arranjo invertido leva certa van-tagem desde que, comparando-se os arranjos numa mesma base, o arranjo conven-cional exigiria a previsão de todas as estruturas tipo pórtico correspondentes ao “bay”.
No cômputo geral o arranjo invertido é superior neste aspecto, embora o arranjo convencional não signifique grandes transtornos na instalação quando de sua extensão, desde que tomadas as precauções adequadas no projeto das diversas etapas de implantação.
1.10 PROTEÇÃO E CONTROLE
São equivalentes para as duas alternativas, uma vez que o arranjo físico tem pouca ou nenhuma interferência.
1.11 ESTÉTICA DA INSTALAÇÃO
Sob este aspecto o arranjo invertido é considerado superior, por apresentar dois níveis de barramentos e ter reduzida a altura das estruturas, mas há que se salientar que o aspecto segurança deve prevalecer sobre o aspecto estética sem qualquer dúvida.
1.12 CUSTO DA INSTALAÇÃO
O arranjo convencional destaca-se neste aspecto desde que é menor o número de suportes de barramentos rígidos bem como é inferior a quantidade de barramentos rígidos requerida. A influência no custo, devida aos isoladores de núcleo sólido, às conexões soldadas ou aparafusadas, e aos barramentos rígidos é de tal ordem significativa que o arranjo convencional, mesmo exigindo maior quantidade (peso) de estruturas, ainda se torna mais competitivo quanto ao custo.
A influência exercida pela menor área requerida para o arranjo convencional pode representar uma parcela considerável, dependendo do custo unitário da terra na zona de implantação da subestação, e levar em conta o custo sobre o maior movimento de terra associado.
A influência no custo devida aos condutores flexíveis é de menor relevância, uma vez que deve ser computada a extensão de cabos flexíveis usados no interior das barras rígidas para o amortecimento de vibrações.
1.13 CONCLUSÃO
Observa-se que a análise comparativa efetuada, segundo os aspectos apontados, levou à recomendação do arranjo convencional como o mais adequado ao desenvolvimento do esquema a disjuntor e meio.
ANEL
UM DISJUNTOR
 E MEIO
DUPLO DISJUNTOR
BARRA DUPLA
DISJUNTOR E UM TERÇO
DUPLO DISJUNTOR
BARRA DUPLA MODIFICADA