APOSTILA BCS

Prévia do material em texto

GRID
Marcelo (Spinella) Moraes
ALSTOM GRID / PER
BANCO DE CAPACITORES SBANCO DE CAPACITORES SÉÉRIERIE
Novembro 2011
Marcelo Spinella – 03/2011
Marcelo Spinella – 03/2011
Marcelo Spinella – 03/2011
O Mundo Elétrico – sistema de potência, desafios e soluções
Marcelo Spinella – 03/2011
Tudo se resume na aplicação de capacitores e reatores
LL CC
Marcelo Spinella – 03/2011
Compensação Série Fixa (FSC)
Projetos realizados
Aplicação do FSC
Estudos de dimensionamento
Diagramas unifilares, vistas e cortes
Principais componentes
Sistema de Proteção e Controle
Compensação Série
CONTECONTEÚÚDO DA APRESENTADO DA APRESENTAÇÇÃOÃO
476 476 MVArMVAr, 735 kV, 2300 A , 735 kV, 2300 A 
Hydro Quebec, Hydro Quebec, PostePoste Montagnais, CanadaMontagnais, Canada
539 539 MVArMVAr, 500 kV, 2300 A , 500 kV, 2300 A 
BCHydroBCHydro, American Creek, Canada, American Creek, Canada
301 301 MVArMVAr, 400 kV, 1800 A , 400 kV, 1800 A 
FingridFingrid, , KeminmaaKeminmaa, Finland, Finland
1250 1250 MVArMVAr, 420 kV , 420 kV 
TurkeyTurkey
444 444 MVArMVAr, 500 kV, 2400 A , 500 kV, 2400 A 
ShunyiShunyi--WanquanWanquan, North China Grid Company, North China Grid Company
283 283 MVArMVAr, 500 kV, 2300 A , 500 kV, 2300 A 
EletronorteEletronorte, , MarabMarabáá, , BrasilBrasil -- 19981998
161 161 MVArMVAr, 500 kV, 1500 A , 500 kV, 1500 A 
FurnasFurnas, , GurupiGurupi, , BrasilBrasil –– 19991999
252 252 MVArMVAr, 500 kV, 1628 A , 500 kV, 1628 A 
FurnasFurnas, , SamambaiaSamambaia, , BrasilBrasil -- 20022002
Norte-Sul, I,II,III
765 765 MVArMVAr, 500 kV, 2230A , 500 kV, 2230A 
FurnasFurnas, , IbiunaIbiuna, , BrasilBrasil -- 20022002
91 91 MVArMVAr, 230 kV, 1000A , 230 kV, 1000A 
EletronorteEletronorte, , RondonRondonóópolispolis, , BrasilBrasil -- 20042004
183 183 MVArMVAr, 230 kV, 1100A , 230 kV, 1100A 
FurnasFurnas, , ItumbiaraItumbiara, , BrasilBrasil --
20052005
253 253 MVArMVAr, 500 kV, 1850A , 500 kV, 1850A 
SMTE, Serra SMTE, Serra dada Mesa, Mesa, BrasilBrasil --
20072007
255 255 MVArMVAr, 500 kV, 1850A , 500 kV, 1850A 
SMTE, SMTE, LuiziâniaLuiziânia, , BrasilBrasil --
20072007
NSIII
ProjetosProjetos maismais recentesrecentes no no BrasilBrasil……
� Redução da queda de tensão na linha de transmissão
� Limitação das quedas de tensão relacionadas com
carga elevada
� Influência sobre fluxo de carga em linhas de 
transmissão paralelas
� Aumento da capacidade de transmissão
� Redução do ângulo de transmissão, aumento da 
estabilidade do sistema
Funções da Compensação Série -
BCS
Diminui a reatância série da LT e por 
conseguinte, a distância entre as 
barras terminais.
COMPENSACOMPENSAÇÇÃO SÃO SÉÉRIE RIE -- BCSBCS
BCS
A B
VL
V1
V2
δδδδ
Influência da Compensação Série
PP
VV11
XX
G ~ G ~
,, δδδδ1
II
VV22,, δδδδ2
onde VV11 = VV22
δδδδ = δδδδ1 - δδδδ2
V V 22
XX
PP == sinsin δδδδ
VC
V1 V2
δδδδ
Sem Compensação
com Compensação
-- XXCC
Compensação Série
Benefícios
� Redução do Ângulo de Transmissão
� Aumento da Capacidade de Transmissão
XXCC
)(δsen
XcXl
VbVa
P ⋅
−
⋅
=
Compensação série e estabilidade
Sem compensação
Com compensação
Se a resposta de oscilação de um sistema de potência durante o período 
transitório seguido de um distúrbio é amortecida em um tempo finito, 
atingindo o regime permanente, este sistema é dito estável. 
Taxa de compensação (S)
P
o
tê
n
ci
a 
tr
an
sm
it
id
a 
(p
u
)
Compensação série e potência transmitida
Melhora a capacidade de transmissão de potência da 
LT.Melhora a estabilidade do sistema e reduz o ângulo de geração .
Diminui a necessidade de controle da tensão pois propicia 
uma menor queda de tensão ao longo da LT.
Possibilita uma melhor divisão de potência entre as LT’s 
existentes; reduzindo as perdas globais do sistema.
Economia nos custos, quando comparados com outras 
alternativas técnicas.
Efeitos da compensaEfeitos da compensaçção são séérie na rie na 
LTLT
O quê limita o grau de compensação?
O nível de compensação série instalada tem sido 
tradicionalmente limitada a valores inferiores a 70%,valores inferiores a 70%, devido 
principalmente ao seu potencial para introduzir, sob certas 
condições especiais, oscilaoscilaççõesões entre a rede elétrica e os 
sistemas torsionais (eixos) das unidades geradoras. 
(sabidamente máquinas térmicas)
RSS RSS –– Ressonância SubsRessonância Subsííncronancrona
SobretensãoSobretensão TransitTransitóóriaria
As sobretensões críticas podem ocorrer quando houver defeito 
na rede e na operação de restabelecimento do 
capacitor.(Curto circuito no sistema)
Estudos
Sua finalidade é definir:
� Os valores nominais da compensação;
� Os requisitos básicos de projeto;
� Os efeitos sobre as características elétricas de outros
equipamentos ou sobre sua operação (proteções, para-
raios,…)
� Os efeitos sobre o sistema de transmissão;
São os seguintes:
1. Fluxo de Carga
2. Curto-circuito
3. Estabilidade transitória
4. Tensões transitórias durante a reinserção
5. Sobretensões transitórias de manobra
6. Seleção de Localização
Estudos
O uso de BCS em linhas longas tem benefício provados:
− Elétrico:
• Melhora o controle do perfil de tensão em linhas longas
• Ângulo de transporte reduzido, melhorando a estabilidade
• Reduz a impedância, aumentando a capacidade de transferência de 
potência ativa
− Financeiro:
• Economia de investimento em linhas adicionais
− Custo da linha + custo da faixa de servidão
− Operacional:
• Por causa dos procedimentos administrativos para a construcão de uma 
nova linha, a implementação e operação do banco fixo é muito mais 
rápida.
Resumo: beneficios do uso do BCS 
Diagrama unifilar do vão de conexão do BCS
230 kV
p/ SE Cuiabá
BCS
I I I
84 km
84 km
MOV
Disjuntor de
Desvio
Spark Gap
BCS
SE – arranjo 5 chaves 1disjuntor
barra dupla
RPSC6-03
RPCA6-11 RPCA6-09
RPSL6-01
RPSC6-02
RPCA6-10
RPCL6-01
RPDJ6-13
�banco inserido
�banco “bypassado”
BBR - fechado
�banco em manobra
BBR – fechado e
MBS - fechada
�banco isolado
DS1 e DS2 - abertas
�banco aterrado
ES1 e ES2 - fechadas
Reator
Capacitor
MOV
Disjuntor de desvio
P&C
Reator 
SPARK-GAP
BANCO DE CAPACITORES SÉRIE
ISOMÉTRICO DE UM BCS
BANCO DE CAPACITORES SÉRIE
Planta, Elevação e Lateral
BANCO DE CAPACITORES SÉRIE - SE RONDONÓPOLIS
DADOS NOMINAIS DO BCS:DADOS NOMINAIS DO BCS:
POTÊNCIA TRIFÁSICA 91 MVAr
CORRENTE 1000 A
FREQÜÊNCIA 60 Hz
REATÂNCIA CAPACITIVA 30,4 ΩΩΩΩ
TENSÃO DE OPERAÇÃO DA LT 230 kV
TENSÃO DE OPERAÇÃO DO BCS 30,4 kV
CAPACIDADE DE SOBRECARGA:
8 HORAS 1,10 PU = 1100 A
30 MINUTOS 1,35 PU = 1350 A
10 MINUTOS 1,50 PU = 1500 A
TIPO DE PROTEÇÃO CONTRA SOBRETENSÃO:
VARISTORES E CENTELHADOR
NÍVEL DE PROTEÇÃO (por fase) 2,30 PU = 98,8 kVpico
PRINCIPAIS COMPONENTES DO BCSPRINCIPAIS COMPONENTES DO BCS
• Plataforma de aço
• Capacitores
• Varistores (MOV)
• Centelhador (spark gap)
• Circuito de amortecimento
• Disjuntor de bypass
• Transformadores de corrente
• Colunas de sinais
• Cubiculos de P&C
PlataformaPlataforma do BCS do BCS –– EstruturaEstrutura suportesuporte
Todos os equipamentos do BCS são projetados para serem montados em uma
plataforma no mesmo potencial elétrico da linha de transmissão, a única
exceção e o disjuntor de bypass que é montado diretamente no nível do solo
• plataforma de ferro galvanizado e alumínio
• isoladores suporte de porcelana para o nível de tensão da linha (245/550 kV)
• isoladores poliméricos diagonais e juntas universais
As plataformas são projetadas para se manterem apoiadas e equilibradas
sobre os isoladores suporte mesmo que um deles sofra algum tipo de 
ruptura ou quebra.
Plataforma – Estrutura Suporte
Unidade Capacitiva
É um capacitor propriamente dito, também chamado de “lata”, 
a associação de vários elementos capacitivos é que resultará
na unidade capacitiva
A unidade capacitiva é formada pela associação de 
elementos em série e em paralelo.
Cada elemento capacitivo possui um fusível interno de 
proteção.
Cada unidade capacitivapossui um resistor de descarga.
RACKS DE CAPACITORES
RACKS DE CAPACITORESRACKS DE CAPACITORES
TC DESBALANÇO
UNIDADE
CAPACITIVAS
Unidade CapacitivaUnidade Capacitiva
Resistor de 
descarga
Fusível interno
Elemento capacitivo
EQUIPAMENTOS PRINCIPAIS –
CAPACITORES
RESISTOR DE DESCARGA
1125 kΩ
FUSÍVEL 9A
ELEMENTO CAPACITIVO
11,65 µF
Unidade CapacitivaUnidade Capacitiva
pçs20Elementos em paralelo
pçs2Elementos em série
Ω227,69Reatância do elemento
µF11,65Capacitância do elemento
V1897Tensão do elemento
VAr15811Potência do elemento
Ω22,77Reatância da unidade
µF116,50Capacitância da unidade
A166,67Corrente da unidade
V3795Tensão da unidade
kVAr632Potência da unidade
As unidades são conectadas em série e paralelo, formando ponte H
Unidades em paralelo = dependente da corrente nominal do banco
Unidades em série = define a reatância do banco
• Exemplo:
Unidades em paralelo = 3+3 unidades
Unidades em série = 4+4 unidades
Total unidades por fase = 48 unidades
Total unidades por banco = 144 unidades
ASSOCIAÇÃO DA UNIDADES CAPACITIVAS
ArranjoArranjo emem Ponte Ponte ““HH””
• Principal proteção do banco de capacitores
• Conectados em paralelo com os capacitores
• Limita a tensão nos capacitores na falta na LT
• Unidades reserva estão conectada com os 
demais colunas de MOVs
• São protegidos pelo centelhador e disjuntor de 
bypass, para evitar excesso de energia 
acumulada.
VARISTOR DE ÓXIDO DE ZINCO - MOV
MOV – Metal Oxide 
Varistor
vista lateral
vista superior
COLUNAS DE MOV
MOV – Metal Oxide 
Varistor
colunas de varistores
MOV – Metal Oxide 
Varistor
MOV
MOV – Metal Oxide 
Varistor
MOV – Metal Oxide 
Varistor
TC de
proteção
12 colunas
De MOV’s
Exemplo de
instalação
MOV – Metal Oxide 
Varistor
Estratégia de proteção no caso de faltas no sistema
• O Varistor deve proteger o capacitor em caso de faltas 
externas, equipamentos de bypass devem operar em caso 
de faltas internas
- Faltas Internas: na linha compensada
- Faltas Externas: fora da linha compensada
500kV
G
G G
Falta externa
Capacitor serie
Falta Interna
Falta interna severa
Conceito de faltas externa e interna
MOV protege o capacitor contra 
sobretensões.
Corrente elevadas de curto-circuito
devem circular pelo MOV.
O dimensionamento do MOV é feito 
simulando-se diversas faltas 
externas, para localizar o caso que 
mais contribui com o acumulo de 
energia nos varistores.
MOV MOV –– Metal Oxide Metal Oxide VaristorVaristor
MOVCapacitor
Ifalta
IMOVICAP
Caminho da corrente 
durante uma falta
O cálculo do MOV é baseado nos seguintes princípios:
− “A TRANSMISSORA deve dimensionar o banco
série e seu esquema de proteção considerando
não apenas o ano de entrada em operação, mas
também o ano horizonte de planejamento, 
fazendo uso dos dados disponibilizados pela EPE e 
pelo ONS”.
− Dados disponíveis pelo EPE (www.epe.gov.br):
• PDE 2007/2016 (Plano Decenal de Expansão de 
Energia).
• ANAREDE.
− Dados disponíveis pelo ONS (www.ons.org.br):
• ANAFAS e ANAREDE.
Princípios para dimensionamento do MOV
− “Os requisitos de energia dos varistores deverão ser 
definidos pela TRANSMISSORA para condição de falta
externa mais crítica, inclusive para a condição de linha
paralela fora de serviço”.
MOV – Metal Oxide 
Varistor
Princípios do design do MOV
GRIDVfaltaVnominal
Znominal
Zfalta
Impedância
Tensão
CURVA CARACTERÍSTICA DO MOV
Znominal >> Zfalta
Centelhador – Sparkgap
Tem a finalidade de proteger o BCS (capacitor e MOV) 
contra sobretensão.
Atua protegendo o MOV, através de um by-pass de alta
velocidade.
Seu tempo de atuação é extra rápido – inferior a 5ms
Modos de ignição:
− Disparo forçado. 
− Auto ignição.
O circuito de disparo é formado por:
− Divisor capacitivo
− Resistor de amortecimento
− Trigatron
− Gap de potência – Eletrodo principal
− Gap de disparo – Eletrodo auxiliar
VISTA EXTERNAVISTA INTERNA
ELETRODOS
CAPACITORES
TRIGATRON
RESISTOR
CONTÊINERE
Centelhador –
Sparkgap
Centelhador –
Sparkgap
Centelhador –
Sparkgap
Centelhador XLSK –15PL
Faixa de operação de 86 à 98,8 kVp
Capacidade de condução 31,1 kArms (1s)
Tempo de deionização 800 ms
Centelhador –
Sparkgap
Centelhador –
Sparkgap
Componentes do circuito de disparo do centelhador
Centelhador –
Sparkgap
Centelhador –
Sparkgap
Centelhador –
Sparkgap
Pulso de 
disparo
GAP 
principal
R
C2
C1
Circuito de disparo 
do centelhador
Centelhador –
Sparkgap
Circuito de Amortecimento
•Seu objetivo é o de limitar e 
amortecer a corrente de descarga 
dos capacitores, quando estes 
forem bypassados.
•Quando o BCS for reinserido na 
LT os capacitores devem estar 
descarregados para evitar 
sobretensões no sistema.
•O circuito de amortecimento é
formado por um reator em 
paralelo com um resistor e um 
gap.
CAPACITOR
Gap
Disjuntor
REATOR
RESISTOR
gap
Circuito de amortecimento
Circuito de amortecimento
Mini centelhador do circuito de amortecimento
Circuito de amortecimento
CAPACITOR
Gap
Disjuntor
REATOR
RESISTOR
gap
Características do Circuito:
Corrente = 1000 A
Indutância = 0,2 mH
Resistência = 4 Ω
Energia = 1,3 MJ
Corrente de curto = 31,5 kA (1seg)
Razão de amortecimento = 0,42
Circuito de amortecimento
Circuito de amortecimento
Sua função é a de desviar a corrente do circuito 
capacitivo,(extrair o BCS da LT) esse desvio pode ocorrer 
em situações:
- Manobra de operação
- Proteção
Disjuntor de desvio - Bypass
• Disjuntor monofásico -145kV
• Isolação a gás SF6
• Bucha de Isolação (fase-terra) – 550kV
• Duas bobinas de fechamento e uma de abertura
câmera
painel de 
controle
colunas de
isoladores 
terminais
Disjuntor de desvio - Bypass
TRANSFORMADORES DE CORRENTETRANSFORMADORES DE CORRENTE
Todo o sistema de P&C é alimentado com informações obtidas pelos TC’s
instalados sobre a plataforma.
Transformadores de corrente utilizados no BCS de Rondonópolis:
- Tipo janela
- Tipo coluna (usado para medir a corrente de desbalanço dos capacitores)
Os TC’s são do tipo seco, aplicados para uso externo com isolação a base 
de epóxi. 
T1
T2
T3
T4
T5T6
POSIÇÃO E IDENTIFICAÇÃO DOS TC’s
T1 – desbalanço
T2 – MOV
T3 – falta p/ plataforma
T4 – centelhador
T5 – linha
T6 – alimentação
TRANSFORMADORES DE CORRENTETRANSFORMADORES DE CORRENTE
TRANSFORMADORES DE CORRENTETRANSFORMADORES DE CORRENTE
TRANSFORMADORES DE CORRENTETRANSFORMADORES DE CORRENTE
TRANSFORMADORES DE CORRENTETRANSFORMADORES DE CORRENTE
COLUNA DE SINAL
• Ligação óptica entre a plataforma e o nível terra
• Duas colunas redundantes
• Isolação para 245 ou 550 kVrms
•Cabos de fibra ótica para:
- Proteção e controle
- Alimentação (Laser Power Supply)
Painel de P&C instalado sobre a plataforma
TC
TC
plataforma
Coluna de Sinal
canaleta
Cabo de fibra óptica
Fio de fibra 
óptica
Painel de P&C instalado na 
casa de relés
colunas de sinais
Painel de 
P&C
1
Painel de 
P&C
2
nível da plataforma
nível do solo
TC
cabo de fibra
óptica
Colunas de Sinais
Cada coluna abriga um 
cabo de fibra óptica com 
14 fibras para transmissão
de sinal e 3 fibras para
transmissão de energia da
fonte laser.
Isolação de 245 ou
550 kVrms
100µm/140µm – potência Laser
62.5µm/125µm – telegrama P&C. 
COLUNA DE 
SINAIS
Colunas de sinais
COLUNA DE SINAIS
Colunas de sinais
COLUNA DE SINAIS
Montagem do Banco de Capacitores
Série - BCS
Literatura recomendada:
Normas Técnicas:
IEC-143-2
IEEE- Std824
ANSI-C55.2
Livro: 
Series Compensation of Power Systems
OBRIGADO !