al 0143 - 1 - subestações energia elétrica -1_ 2011

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Curso de Engenharia Elétrica 1/50

wagnerkaehler@gmail.com

Subestações de Energia

Parte 1

José Wagner Maciel KaehlerProfessor Dr. Eng.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAMPACURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

Curso de Engenharia Elétrica 2/50

wagnerkaehler@gmail.com

Subestações de Energia Elétrica

Programa de Curso

Curso de Engenharia Elétrica 3/50

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Programa de Curso: Subestações de Energia Elétrica

Objetivos Compreender, classificar e especificar sistemas e equipamentos de

subestações de transmissão e de distribuição de energia elétrica,adquirindo subsídios básicos para a execução e a coordenação deprojetos de subestações transformadoras de energia elétrica em sistemasde energia.

Competências e Habilidades Desenvolver estudos de fundamentação técnica, econômica e ambiental de

projetos de subestações transformadoras de energia elétrica em sistemasde potência, proporcionando a base para os estudos de viabilidade e deimpacto.

Ementa O Sistema Elétrico de Potência - Subestações

Arranjos e dimensionamento: Tipos, Arranjos

Curto-circuito e sua proteção

Aterramentos e Blindagens

Sobretensões, Isolamentos e Coordenação de Isolamento

Especificações para os equipamentos principais

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Programa de Curso: Subestações de Energia Elétrica

PROGRAMA O Sistema Elétrico Nacional - SIN

O Sistema Elétrico de Potência - Subestações

Conceitos Elementares para o Projeto

Arranjos e dimensionamento: Tipos, Arranjos

Principais Componentes

Curto-circuito e sua proteção

Aterramentos e Blindagens

Sobretensões, Isolamentos e Coordenação de Isolamento

Sistemas de Proteção Automação e Controle

Especificações para os equipamentos principais

Dimensionamento de Estruturas, Barramentos e Conexões

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Programa de Curso: Subestações de Energia Elétrica

BIBLIOGRAFIA

BIBLIOGRAFIA BÁSICA

ABB; Electrical Transmission and Distribution Reference Book; 1997

ABB; Switchgear Manual; 2006

IEEE; 1127-19; ; Guide for the Design, Construction and Operation of ElectricPower Substations for Community Acceptance and Environmental; 1998

Bayliss & Hardy; Transmission and Distribution Electrical Engineering; 2006

Bibliografia Complementar ABB; Testing of Power Transformers: Routine Tests, Type Tests and Special

Tests; 2003

Hedman; ELETROBRAS- UFSM; PTI Série Vol 8: Coordenação do Isolamento;1979

McDonald, John D.; CRC PRESS; Electric Power Substation Engineering; 2003

Menezes, Amaury Alves; Conquista; Subestações e Pátio de Manobras de UsinasElétricas - Vol I e II; 1976

Zanetta Junior, Luiz Cera; Transitórios Eletromagnéticos em Sistemas dePotência; 2003

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Programa de Curso: Subestações de Energia Elétrica

Bibliobrafia

Material de Apoio

ABNT – NBR:5356; Transformador de Potência; 1993

ABNT – NBR:5416; Aplicação de Cargas em Transformadores de Potência -Procedimento; 1987

ABNT – NBR:6855; Transformador de Potencial Indutivo; 1992

ABNT – NBR:6856; Transformador de Corrente; 1992

ABNT – NBR:6939; Coordenação do Isolamento - Procedimento; 2000

ABNT – NBR:8186; Guia de Aplicação de Coordenação de Isolamento; 1983

ABNT – NBR:10020; Transformador de Potencial de Tensão Máxima de 15kV, 24,2 kV e 36,2 kV - Características Elétricas e Construtiva; 1987

ABNT – NBR:10021; Transformador de Corrente de Tensão Máxima de 15kV, 24,2 kV e 36,2 kV - Características Elétricas e Construtiva; 1987

ABNT – NBR:10022; Transformador de Potencial com Tensão MáximaAplicada igual ou superior a 72,5 kV - Características Específicas; 1987

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Programa de Curso: Subestações de Energia Elétrica

Bibliobrafia

Material de Apoio

ABNT – NBR:10023; Transformador de Corrente com Tensão Máxima Aplicada igualou superior a 72,5 kV - Características Específicas; 1987

ABNT – NBR:10201; Divisores Indutivos de Potencial; 1988

ABNT – NBR: 10295; Transformadores de Potência Secos; 1988

ABNT – NBR:11191; PB-1439: Subestações de Distribuição Tipo I- 69-34,5 ou 13,8 kVaté 5 MVA e 34,5 kV, 13,8 kV até 3,75 MVA - Diagramas Unifilares e Arranjos deSubestações; 1989

ABNT – NBR:12522; Símbolos Gráficos de Produção e Conversão de Energia Elétrica;1992

ABNT – NBR:12523; Símbolos Gráficos de Equipamentos de Manobra e Controle deDispositivos de Proteção; 1992

ABNT – NBR:14039; Instalações Elétricas de Méida Tensão de 1,0 kV a 36,2 kV; 2005

ABNT – NBR-IEC:60694; Especificações comuns para normas de equipamentos demanobra de alta-tensão e mecanismos de comando; 2007

ABNT – NBR-IEC:62271-100; Equipamentos de Alta Tensão: Disjuntores de AltaTensão de Corrente Alternada; 2007

ABNT – NBR-IEC:62271-102; Equipamentos de Alta Tensão: Seccionadores e Chavesde Aterramento; 2007

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Subestações de Energia

Elevadoras de Usinas

Transmissoras e de Interligação

Distribuição

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Considerações Iniciais

A finalidade desta apresentação é a de resumir o conteúdo doprograma, visando minimizar o tempo gasto com anotações.

Servem como guia de estudo e não como livro-texto.

Dá uma visão geral do Planejamento de Longo Prazo do SEP.

Para responder a todas as questões é preciso estudo maisaprofundado da bibliografia recomendada.

Constitui-se num roteiro para estudo, portanto não substituitextos consagrados pela abrangência e clareza.

Bibliografia abrangente é indicada.

O aprimoramento desta apresentação será conseguido com acontribuição dos alunos, através de comentários e sugestões.

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Recursos Energéticos: Carvão Mineral

EnergiaPrimária

Conversãode Energia

Tecnologia deUso Final

Transporte deEnergia

EnergiaÚtil

ServiçoPrestado

CarvãoMineral

CentralTermoelétrica

Transmissão eDistribuição

EnergiaRadiante

Luminária Iluminação

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Recursos Energéticos: Energia SolarEnergiaPrimária

Conversãode Energia

Tecnologia deUso Final

Transporte deEnergia

EnergiaÚtil

ServiçoPrestado

EnergiaSolar

CentralFotovoltaica

EólicaHidráulicaBiomassa

Transmissão eDistribuição

EnergiaRadiante

Luminária Iluminação

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Exploração Integrada dos RecursosEnergéticos: Enfoque Oferta x Demanda

Usos Finais em Serviços e Processos Produtivos

UsoX

ProcessoY

ProcessoX

UsoY

UsoW

UsoZTecnologia

Energética

BensServiçosEnergia

MateriaisProdutosEnergiaMão de Obra

Resíduos e Rejeitos

Tecnologia VigenteTecnologia Inovadora

S

Energia AparenteEvitada

P

Q

P

Q

22 QPS 22 QPS

Perfis de Consumo EnergéticoS S

Perfis de Uso/Processo

UU

Cientes e Usuários

ClienteTipo

ClienteTipo

ClienteTipo

ClienteTipo

ClienteTipo

Setores Sócio-econômicos

Residencial Comercial Comércioe Serviços

PoderPúblico eServiçosEnergético Não Energético Rural

Industrial

Sistema de Suprimento

Sistema de Transporte

Sistema de Distribuição

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Gestão de Energia pelo Lado daOferta

Produção Centralizada: Usinas, Refinarias, Centraisde Compressão e Estocagem de Gás Natural

Transporte: Linhas de Transmissão, Gasodutos,Oleodutos, Navios Tanques

Centrais de Transformação: Subestações, Site-gates,Compensadores, Reguladores, Estocagem

Distribuição: Redes Primárias e Secundárias dedistribuição de Energia Elétrica e Gás Natural

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SISTEMA ELETRO-ENERGÉTICO

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ESTRUTURA DEUM SISTEMA DE

POTÊNCIA

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SISTEMA DE POTÊNCIA

Centrais hidroelétricas

termoelétricas

Rede de transporte

linhas de transmissão

subestações

Rede de distribuição

média tensão (ramal AT)

baixa tensão

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SISTEMA DE POTÊNCIA

Características particulares:

A eletricidade não é estocável em grande escala

A demanda é extremamente flutuante

O tempo para construção de centrais é grande

As centrais têm particularidades defuncionamento

A tarifa é uma dimensão temporal (tempo)

A previsão a longo prazo é importante

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SISTEMA DE POTÊNCIA

Características operacionais:

Maximização da qualidade

Freqüência constante (dentro de limites)

Tensão constante (dentro de limites)

Nível de harmônicas dentro de limites

Maximização do tempo de fornecimento

Minimização do custo do serviço

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Plano Decenal de Expansão deEnergia

PDE 2009 – 2019

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Subestações

Conceitos Elementares para oProjeto

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Subestações de Energia Elétrica

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Diagramas Unifilares

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Identificação de Componentes em diagramas Unifilares

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Simbologia dos Diagramas

Norma ABNT, Símbolos Gráficos para Produção e Conversão de Energia Elétrica, NBR-12522, Abril de 1992.

Norma ABNT, Símbolos Gráficos para Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica,NBR-12523, Abril de 1992.

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Simbologia dos Diagramas

Norma ABNT, Símbolos Gráficos para Produção e Conversão de Energia Elétrica, NBR-12522, Abril de1992.

Norma ABNT, Símbolos Gráficos para Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica, NBR-12523, Abrilde 1992.

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Simbologia dos Diagramas

Norma ABNT, Símbolos Gráficos para Produção e Conversão de Energia Elétrica, NBR-12522, Abril de1992.

Norma ABNT, Símbolos Gráficos para Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica, NBR-12523, Abrilde 1992.

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Representação em Diagrama Unifilar deSistemas Elétricos de Potência

1. Gerador Trifásico em Corrente Alternadanas tensões de 6,6 kV até 25 kV. PadrãoTípico: 13,8 kV

2. Transformador Trifásico da Usina

3. Linha de Transmissão em CorrenteAlternada, nas tensões: 34,5; 69, 138; 230;525 e 750 kV

4. Transformador Rebaixador, junto à carganas tensões secundárias de 13,8; 23,0;34,5; 69; 138; 230 kV

5. Transformadores de Distribuição paraentrega aos clientes nas tensõessecundárias de 127/220 V; 380/440 V; 13,8;23,0; 34,5; 69; 138 kV

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Requisitos de uma Instalação

Eficiência e Eficácia Energética Garantir continuidade e qualidade da capacidade de

transformação;

Proporcionar proteção seletiva em caso de faltaassegurando a continuidade dos demais serviços;

Garantir a segurança das instalações e dos operadores emantenedores da subestação frente a situações de falha ede defeito, garantindo o mínimo risco à vida dos usuários;

Vida Útil Garantir a rentabilidade econômica e financeira do

empreendimento

Assegurar a preservação ambiental e social da instalação,assegurando o mínimo impacto

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Requisitos Gerais de Projeto de Sistema Eletro-energéticos

Operação em condições normais do sistema,sem interrupções de serviço, inexistindocurtos-circuitos e circuitos abertos;

Prevenção de falhas, assegurandoconfiabilidade e economia dentro dehorizontes de vida útil compatível com aremuneração dos investimentos;

Operação dos sistemas com o mínimo deconsequências das falhas.

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Características Gerais de Projeto de Sistema Eletro-energéticos

Os sistemas radiais são inerentemente osmenos confiáveis, podendo afetardrasticamente o atendimento do mercado emcondições de falha do sistema;

Os circuitos em malha são mais confiáveis,dando alternativas de atendimento domercado;

A diversidade de pontos de atendimentogarante a confiabilidade e a continuidade desuprimento, porém impacta economicamenteno estabelecimento da infraestrutura eletro-energética, devendo ser portantoremunerada por esta garantia adicional;

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Características Gerais de Projeto de Sistema Eletro-energéticos

Em condições de falha por curto-circuito no sistema,a limitação das correntes de fará necessária por: Correta adequação e compatibilidade da proteção visando

limitar o tempo de defeito;

Emprego de limitadores de corrente, oferecendo altaimpedância nos momentos de falha;

Uso de transformadores de potência com impedânciaelevada, se as condições de regulação de tensão opermitirem

Garantir que os esforços eletro-mecânicos e térmicos sejamsuportados pelos condutores, barramentos e isoladores;

Os disjuntores devem ter capacidade de ruptura aderente àspotências de curtos-circuitos verificadas;

Prever alternativas de restabelecimento e remanejo decargas

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Classificação das subestações transformadoras de energia

Subestações de Sistemas Elétricos dePotência:

Elevadoras de usinas;

Transmissão ou de interligação

Distribuição Primária

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Classificação das subestações transformadoras de energia

Subestações Elevadoras de Usinas

Requisitos Fundamentais Capacidade,

Confiabilidade e

Continuidade da Geração

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Classificação das subestações transformadoras de energia

Subestações Elevadoras de Usinas Barramento Simples

Baixa confiabilidade;

Baixo custo

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Classificação das subestações transformadoras de energia

Subestações Elevadoras de Usinas

Barra de Transferência

Melhor confiabilidade;

Custo Significativo

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Classificação das subestações transformadoras de energia

Subestações Elevadoras de Usinas

Barra Coletoras Duplas

Excelente confiabilidade;

Elevado custo

– Garante continuidade

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Classificação das subestações transformadoras de energia

Subestações Elevadoras de Usinas

Barra Coletoras Duplas com Disjuntor

Elevadíssima confiabilidade;

Altíssimo custo

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Classificação das subestações transformadoras de energia

Subestações de Transmissão ou deinterligação

Barra Dupla com disjuntor em paralelo

Idem com Barra de Transferência

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Classificação das subestações transformadoras de energia

Subestações de Transmissão ou deinterligação

Simplificação do Esquema com duplojogo de Barras coletoras

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Classificação das subestações transformadoras de energia

Subestações de Transmissão ou de interligação

Simplificação do Esquema com duplo jogo de Barras coletoras edisjuntores de linha

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Classificação das subestações transformadoras de energia

Subestações de Distribuição oude Tensões Secundárias

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Subestações Transformadoras de Energia

Características Elétricas Gerais Tensões de Operação;

Nominal Máxima do Sistemas Máxima do Projeto dos Equipamentos;

Nível de Isolamento dos Equipamentos; Correntes máximas de trabalho

Nominal Máxima de Serviço

Correntes de Curto-Circuito esperadas. Função dos diferentes tipos de faltas

Subestações Elevadoras de Usinas Deve ser previsto dois sistemas, sendo um de conexão ao sistema

de transmissão e outro para os serviços auxiliares da usina

Subestações de Transmissão e de Distribuição Existem situações de mais de dois níveis de tensão secundária,

por transformadores próprios ou por enrolamentos terciários.

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Classificação das subestações transformadoras de energia

Regulação de Tensão e Reativos A regulamentação do Setor Elétrico estabelece padrões dos

níveis de tensão nominal, sendo admitido pequenas variaçõesde entorno. (Resolução nº 395 de 15.12.2009 da ANEEL)

Solução: Uso de comutadores sob carga

A carga reativa afeta diretamente a regulação de tensão

Solução A compensação de reativos indutivos e capacitivos deve ser feita

somente para compensar os requisitos dos equipamentos dosistemas elétrico propriamente dito;

A compensação de reativos indutivos e capacitivos das cargas dosclientes deve ser feita por estes, junto às mesmas.

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1º Exercício de Fixação: Arranjos em Subestações de Potência

Num arranjo tipo 1 Disjuntor e Meio qual alimitação de teremos que observar em casode saída de um dos mesmos paramanutenção?

Os disjuntores desaída tem que tercapacidade deassumir a cargade ambos aslinhas de saída

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2º Exercício de Fixação: Arranjos em Subestações de Potência

Se um dos disjuntores de saída estiverdesligado o que ocorrerá com a carga domesmo se houver a comutação?

A carga destalinha terá que serdesligada durantea comutação.

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3º Exercício de Fixação: Arranjos em Subestações de Potência

Qual a influência na proteção que este tipode arranjo tem?

O ajuste daproteção deve serfeito somenteconsiderando umadas cargas de linhae não a conjunçãodas mesmas em ummesmo lado.

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3º Exercício de Fixação: Arranjos em Subestações dePotência

Compare a alternativa proposta usando aopção de 1 disjuntor e meio e seccionadoresde ultrapassagem.

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Visita Técnica à Subestação CEEE-GT: Alegrete 2

Dia 30/03/2011 pela manhã

Saída da UNIPAMPA as 08:00 encontro na frente daSubestação as 8:30

Requisitos:

Calça comprida

Calçados fechados

Camisa, camiseta ou blusa de preferência de algodão

Levar prancheta de anotação e câmara fotográfica

Detalhar em relatório técnico individual a conformação dasubestação, em particular os componentes de cada módulo deconexão e barramentos de AT, MT e BT

Observar os módulos de entrada e saída de LT’s eAlimentadores, os Cabos de Cobertura e a Malha de Terra.

Entrega 27/04/2011

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Localização Geográfica da SE Alegrete 2

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