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Unesp – Universidade Estadual Paulista / Campus de Bauru Departamento de Engenharia Elétrica

Relatório de Estágio – Subestação 500 kV de Serra da Mesa

Versão 2.2

Nelson Rossi Goulart Bittencourt Engenheiro Eletricista

Local: Subestação de 500 kV da Usina Hidrelétrica de Serra da Mesa - GO Período: 01/01/1998 a 01/03/1998

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Relatório de Estágio / Nativa Engenharia S.A. / Nelson Rossi Goulart Bittencourt

Índice 1) Introdução................................................................................... 3

2 ) Objetivo ........................................... Erro! Indicador não definido. 3) A Usina Hidrelétrica de Serra da Mesa ............................................... 4

3.1) Descrição Geral.................................................................................................4

3.2 ) O circuito Hidráulico de Geração................. Erro! Indicador não definido.

4 ) Subestação de 500 kV ................................................................... 5

4.1) Descrição Geral.................................................................................................5

4.2) Componentes Principais do Pátio ..................................................................6

4.2.1) Disjuntores SF6 ..........................................................................................6

4.2.2) Chaves Seccionadoras ............................. Erro! Indicador não definido.

4.2.3) Pára-Raios ..................................................................................................8

4.2.5) Transformadores de Corrente ( T.C.’s )Erro! Indicador não definido.

4.2.6) Bobinas de Bloqueio..................................................................................9

4.2.7) Autotransformadores..............................................................................10

4.2.8) Barramentos Rígidos................................ Erro! Indicador não definido.

5) Sistema Digital de Supervisão e Controle......................................... 11

5.1) Principal e Retaguarda..................................................................................11

5.2) Registradores Digitais de Perturbação (RDP’s) ...........Erro! Indicador não

definido.

6) Conclusão .......................................... Erro! Indicador não definido.


1) Introdução A pouco mais de duzentos anos atrás, as manufaturas, pequenas industrias que utilizavam a força produtiva do homem, eram uma das principais formas dos países acumularem capital e alcançarem o desenvolvimento. O advento das máquinas movidas a vapor promoveu a chamada Revolução Industrial. A força produtiva do homem dava lugar a força das máquinas, ocasionando incrementos antes inimagináveis aos níveis produtivos das pequenas manufaturas. A Inglaterra, berço da Revolução Industrial, conseguiu riquezas suficientes para se estabelecer como a potência mundial da época, exportando sua produção excedente para todo o resto da Europa. As atividades industriais são, realmente, as grandes geradoras de riquezas das nações, promovendo seu desenvolvimento. As máquinas a vapor foram substituídas pelas máquinas elétricas e o novo insumo para impulsionar a atividade industrial passou a ser a energia elétrica. Após as finalizações das obras das usinas hidrelétricas de Itaipú e Tucuruí, na metade dos anos oitenta, o Brasil se encontrava em uma situação energética bastante confortável, sendo a geração muito superior a demanda. Mas faltaram investimentos em longo prazo no setor energético e os efeitos desse “descaso” estão sendo sentidos hoje, quando o país se encontra à beira de uma crise que poderá deixar muitos usuários, literalmente, no escuro. A escassez de recursos para serem ap licados no setor se deve, principalmente, a falência geral do Estado que insiste em manter o monopólio. Algumas iniciativas vem sendo tomadas para evitar o derradeiro colapso do sistema de geração do Brasil, através de parcerias das estatais de energia e empresas privadas. Uma destas inic iativas foi a construção da Usina Hidrelétrica de Serra da Mesa, onde foi formado um consórcio privado, composto pelas empreiteiras Camargo Corrêa e Grupo Votorantim e o Banco Bradesco. Mesmo pertencendo a um grupo de empresas privadas, a usina de Serra da Mesa será, totalmente, gerenciada pela empresa estatal Furnas Centrais Elétricas S.A., que proverá a total compatibilidade desta obra com o restante do sistema Eletrobrás. Para a interligação entre os sistemas Norte / Centro-Oeste com o sistema Sul / Sudeste, serão concluídas duas subestações nas proximidades da usina. A construção destes pátios de manobra será executada por empresas privadas e, também, gerenciadas por Furnas. A subestação de 500 kV será construída pelo consórcio Siemens (líder), Nativa Engenharia S.A., Groupe Schneider (Merlin Gerin e Telemecanique) e Gec Alston. Por isso, os investimentos na geração e transmissão de energia são primordiais para garantir o fortalecimento de nosso parque industrial,


permitindo assim que alcancemos um desenvolvimento completo de nosso país. 3) A Usina Hidrelétrica de Serra da Mesa

3.1) Descrição Geral

As obras da Usina de Serra da Mesa começaram no final do ano de 1986, quando a preocupação com a escassez de energia ainda não era imediata. A construção desta hidrelétrica visa evitar o risco de “blackout” no sistema Sudeste / Centro-Oeste, bem como criar condições favoráveis para a transmissão de aproximadamente 1000 MW da usina de Tucuruí. Dois anos após o início das obras, em 1988, o ritmo de construção foi bastante reduzido devido a falta de verbas e as restrições orçamentarias da época. Somente a partir do ano de 1994 o ritmo da obra foi retomado e acelerado, graças a parceria do governo federal com a iniciativa privada. A Usina Hidrelétrica (abreviada por U.H.E. no restante do texto) de Serra da Mesa possuirá três máquinas geradoras, que entrarão em operação comercial, segundo previsões otimistas, em março, junho e setembro deste ano, respectivamente. Cada unidade geradora terá potência nominal de 431 MW a 13,8 kV (ligação em delta). O nome da usina provém do local escolhido para sua construção, uma garganta do Rio Tocantins encaixada na extremidade da Serra da Mesa, localizada no extremo norte do estado de Goiás. As rochas que compõem a serra são graníticas, possuindo excelentes características técnicas para a construção civil. Por este motivo, foi possível que quase todo o circuito hidráulico de geração fosse construído subterrâneo, escavado na própria rocha . A qualidade da rocha foi, também, fator decisivo para a implantação das fundações da barragem, constituída por um enrocamento (empedramento) com núcleo argiloso e transições de diferentes granulometrias. O volume total da barragem é de 12 milhões de metros cúbicos, sua extensão é de aproximadamente 1510 metros e sua altura é de 153 metros. O vertedouro possui cinco comportas e é capaz de escoar uma enchente com vazão de no máximo 15.000 m3/s. O local da construção do vertedouro também foi criteriosamente escolhido para permitir menores gastos com concreto e estruturas metálicas, sendo aproveitada uma sela topográfica encaixada na serra. Os índices históricos mostram que obras como esta necessitam de, aproximadamente, 1 m3 de concreto para cada 1 MW gerado. Graças à escolha dos locais de construção, a U.H.E. de Serra da Mesa consumiu apenas 222.000 m3 de concreto o que dá aproximadamente 0,17 m3 de concreto para cada MW gerado. O reservatório formado pela construção da barragem começou a tomar volume em outubro de 1996, quando foram fechadas as comportas do vertedouro. Quando totalmente cheio, o reservatório cobrirá uma área de


1784 km2 (quinto maior do país) e possuirá um volume de 54,4 bilhões de metros cúbicos (primeiro do Brasil). 4 ) Subestação de 500 kV

4.1) Descrição Geral

Uma subestação é um pátio de manobras e proteção para linhas de uma ou mais usinas. Existem subestações cuja função é elevar tensões em linhas muito longas, onde temos perdas relativamente altas e existem aquelas cuja função é a de reduz tensões para utilização comercial local. Os pátios que compõe o âmbito da usina de Serra da Mesa são dois: Pátio de 500 kV e Pátio de 230 kV. Na verdade, a tensão de referência para as subestações é a tensão nominal em que estas operaram. Na primeira etapa da construção do pátio de 500 kV serão concluídos três dos oito vãos previstos, estes vãos darão condições para a entrada em operação da usina e aliviarão parcialmente o sistema energético do país. Nos próximos anos, serão instalados bancos de capacitores e de reatores a fim de haver total controle sobre o fator de potência permitindo uma maior racionalização dos recursos energéticos. A subestação de 500 kV receberá as três linhas oriundas do banco de autotransformadores da usina. Estas linhas são compostas por cabos de alumínio com alma de aço, com bitola de 805,6 mm2 (1590 MCM). Estes cabos também comporão a linha de transmissão entre Serra da Mesa e Samambaia, em um percurso de quase 300 km . Para evitar os efeitos Corona e “Skin” sobre as linhas são utilizados três condutores 1590 MCM por fase. As extremidades de linhas de transmissão, geralmente, são encontradas em subestações, por isso nas entradas das linhas existem pára-raios que protegem as linhas contra descargas atmosféricas diretas (ver item pára-raios). A fixação dos cabos da linha de transmissão e feita através de isoladores, no caso de linhas de 500 kV são utilizados 24 isoladores para cada cabo que compõe cada fase. As linhas que adentram a subestação são fixadas a pórticos (torres metálicas) através de conjuntos de isoladores. Ligados as linhas dos pórticos, temos os “pingados” que nada mais são que cabos que interligam estas linhas aos equipamentos de manobra e proteção, que se encontram em altura (cota) inferior. O primeiro vão recebe a linha número um da usina, nesta primeira etapa ele terá a função de manobrar esta linha entre os barramentos rígidos “A” e “B”, sendo o vão mais simples. O segundo vão interligará a usina de Serra da Mesa a subestação de Samambaia. Este vão apresenta, além dos equipamentos de proteção e manobra convencionais encontrados no primeiro vão, equipamentos utilizados para comunicação, teleproteção e medição da tensão da linha, tendo assim uma estrutura mais complexa .


Por fim, o terceiro vão possui um banco de autotransformadores necessários para redução da tensão de linha de 500 kV para 230 kV. Deste conjunto de transformadores partirá uma linha de transmissão para o pátio de 230 kV situado a, aproximadamente, 300 metros do conjunto. No centro do pátio está localizada a Casa de Relés, onde estão posicionados todos os painéis, controladores lógicos programáveis, anunciadores de defeitos e todo o equipamento eletro-eletrônico para o controle (local) e supervisão. Os circuitos de controle dos disjuntores, chaves seccionadoras e qualquer outro sistema que exija alimentação ininterrupta, utilizarão tensão de 125 Vcc, provida por dois bancos de baterias distintos e mantidos sempre carregados por um carregador ligado a rede elétrica local. Os esquemas de proteção utilizarão tons de áudio (por cabos de fibra óptica ou por microondas) e ondas portadoras (transmissão de dados pela própria linha de transmissão). O controle e a supervisão de toda a subestação serão feitos remotamente, a partir do escritório de Furnas no Rio de Janeiro, havendo a possibilidade de operação local em caso de impossibilidade da operação remota. Todas as operações serão realizadas por sistema computadorizado, incluindo a obtenção de dados de tensão, corrente e potências através de transdutores analógico/digitais.

4.2) Componentes Principais do Pátio

4.2.1) Disjuntores SF6 São os dispositivos responsáveis pela proteção dos circuitos contra possíveis curtos-circuitos ou sobretensões. Eles são constituídos, basicamente, por chaves controladas por elementos capazes de detectar as condições anormais que possam vir a acontecer no circuito. Em caso de curto ou sobretensão, os dispositivos supervisores provocam a abertura dos contatos que compõem o disjuntor, interrompendo a corrente e assim protegendo os componentes do sistema. A abertura de contatos sob alta tensão provoca o surgimento de um arco-voltaíco muito vigoroso, que pode causar efeitos catastróficos aos equipamentos elétricos. Por isso, os disjuntores possuem câmaras de extinção de arco repletas com o gás hexafluoreto de enxofre ( SF6 ), que extinguem os arcos rapidamente. Os disjuntores utilizados possuem dois módulos por fase (pólo). Sendo que cada módulo é composto por duas câmaras de extinção, dois capacitores equalizadores e dois resistores de pré-insersão. Os capacitores de equalização auxiliam na extinção do arco-voltaíco, desviando uma fração da corrente que manteria este arco por um tempo


maior. Cada capacitor utilizado nos disjuntores possui a capacitância nominal de 2500 pF ± 5%. A corrente inicial quando um disjuntor é fechado, é limitada pelos resistores de pré-insersão, cada um destes resistores tem valor de 100 Ω, totalizando uma resistência de 400 Ω em cada fase. O tempo de pré-insersão é de 10 ms, isso significa que transcorrido este pequeno intervalo os contatos principais do disjuntor se fecharão e haverá a condução da corrente nominal de projeto. Um esquema simplif icado do circuito equivalente de um disjuntor SF6 é mostrado na figura 2. Os contatos são manipulados através de uma haste de acionamento. Essa haste é movimentada por um circuito hidráulico, composto por cilindros de óleo e cilindros de nitrogênio. Cada módulo possui um cubículo para o circuito hidráulico, a fim de manter a pressão do óleo a níveis aceitáveis para uma operação confiável. (Os cilindros com nitrogênio não necessitam de manutenção de sua pressão, já que constituem um circuito fechado.) São utilizadas bobinas para promover a liberação ou o travamento das hastes de acionamento. Para a abertura, processo prioritário, existem duas bobinas em paralelo, constituindo os circuitos de abertura primário e secundário. Além dos cubículos de controle hidráulico, existe um cubículo de controle geral para cada disjuntor. Neste cubículo estão todos os contatores, relés e contadores necessários à operação do dispositivo. A pressão do gás SF6 é monitorada por relés especiais que acompanham o disjuntor. A pressão normal no interior das câmaras de extinção é de 8,0 atm, quedas de pressão são relatadas em três diferentes estágios: 1o ) Pressão atinge 7,2 atm - é ativado um alarme na sala de controle da usina e na casa de relés ; 2o ) Pressão cai a 7,1 atm - o fechamento é bloqueado, alarme anterior também é acionado; 3o ) Pressão igual ou inferior a 7.0 atm - o alarme é disparado, o disjuntor é aberto e o fechamento fica bloqueado . Os dispositivos de medição de corrente e tensão responsáveis pela atuação dos disjuntores são transformadores de corrente (T.C.’s) e transformadores de potencial (T.P.’s ), que serão vistos adiante. Os três pólos dos disjuntores são abertos ou fechados ao mesmo tempo, devendo ser obedecida uma discrepância máxima entre fases. Em caso de tempos de abertura/fechamento muito diferentes entre as fases do disjuntor, serão acionados relés apropriados que se encarregarão de abrir os pólos evitando problemas de não “casamento” das tensões senoidais. Existem, também, os relés de sincronismo, que são responsáveis pela correta ligação de um disjuntor com uma linha ou barra já energizada. O sincronismo é de fundamental importância para evitar que coexistam tensões


entre pontos de barramentos e consequentemente surjam correntes impróprias nestes elementos do circuito. Ocorrendo uma falta o disjuntor abrirá seus contatos principais e tentará religar automaticamente. Está tentativa pós-falta será realizada apenas uma única vez, persistindo a falta o disjuntor reabrirá e assim permanecerá até que lhe seja enviado comando de fechamento.(Pressupõe-se que o comando de fechamento será dado assim que o problema do circuito tenha sido sanado.) Os disjuntores a gás SF6 utilizados no pátio de 500 kV possuem as seguintes especificações técnicas:

Tensão Nominal...................................................... 550 kV ( fase-fase ) Tensão suportável de impulso atmosférico............. 1550 kVcrest Tensão suportável de impulso de manobra............ 1175 kVcrest Corrente Nominal.................................................. .. 650 kVcrest Capacidade de interrupção em curto-circuito......... 40 kAef (simétrica) Capacidade de estabelecimento em c.c................. 188 kAef Peso de um polo..................................................... 4568 kgf Capacitores Equalizadores..................................... 2500 pF ± 5 % Resistores de Pré-Inserção..................................... 100 Ω

Figura 2 - Esquema simplificado de módulo de um pólo de disjuntor

Onde:

4.2.3) Pára-Raios

A proteção de linhas de transmissão e equipamentos elétricos do pátio contra descargas atmosféricas é provida por dois esquemas distintos de pára-raios : 4.2.3.3) Proteção por Centelhador A proteção por centelhador é atuada quando uma descarga atmosférica ou um impulso de manobra atinge diretamente uma linha de transmissão. Os pára-raios das entradas do pátio possuem centelhadores de óxido de zinco (ZnO) e protegem tanto as linhas como os equipamentos a elas ligados. Os pára-raios utilizados na subestação são unipolares, ligados entre fase e terra. Ocorrendo uma descarga ou surto de manobra, será produzida uma centelha responsável pelo escoamento desta corrente de falta para a terra.


Entre a base da coluna dos pára-raios e a terra, existe um miliamperímentro com um contador de descargas. A indicação do miliamperímentro é a corrente de fuga que flui através do centelhador (ver figura abaixo) .

Figura 3 - Pára-Raios para 500 kV

As especificações para os pára-raios são:

• Tensão nominal: 420 kVrms • Proteção para impulso de manobra: 915 kVcrest • Nível de proteção para frente de onda(máx.): 1225 kVcrest • Corrente nominal de descarga: 20 kAcrest

4.2.6) Bobinas de Bloqueio

O sistema de ondas portadoras é utilizado para permitir a comunicação e a teleproteção entre as subestações de Serra da Mesa e Samambaia. Os dados deste sistema circularão através da própria linha de transmissão de alta tensão existente entre estes dois pátios. A comunicação utilizará aparelhos telefônicos, enquanto a teleproteção promoverá a atuação dos dispositivos de proteção comandados remotamente pelos sistemas computadorizados dos pátios. Para tornar possível estes esquemas de comunicação, serão utilizados sistemas de ondas portadoras com freqüências bastante superiores à industrial (60 Hz), evitando erros devido a interferência. Cada uma das três fases da linha será responsável por um tipo de transmissão, como pode ser visto abaixo:

Fase A: possuirá todo o equipamento necessário para a recepção dos

sinais de teleproteção oriundos da subestação de Samambaia (equipamentos de ondas portadoras Rx);

Fase B: transmitirá os sinais de teleproteção da subestação de Serra da Mesa para a de Samambaia (equipamento Tx );

Fase C: possuirá um equipamento apto a transmitir e a receber os sinais telefônicos entre os dois pátios (equipamentos “duplex”).

Nos pátios, os sinais de comunicação e proteção serão retirados das linhas através de bobinas de dreno acopladas aos transformadores de potencial capacitivos. Os sinais serão conduzidos a Casa de Relés, onde receberão tratamento e serão interpretados por circuitos eletrônicos apropriados. As bobinas de bloqueio são indutores capazes de evitar que os sinais de comunicação telefônica ou de teleproteção penetrem no interior do pátio e cheguem às máquinas da usina. Este “bloqueio” é conseguido, justamente, pela grande diferença entre a freqüência industrial e as freqüências utilizadas para a transmissão dos sinais que circulam pela linha.


As figuras seguintes ilustram o esquema básico simplificado, para cada fase, do sistema de ondas portadoras para comunicação e proteção:

Figura 6 - Transmissão e recepção de sinais de teleproteção

Figura 7 - Transmissão e recepção de sinais de teleproteção

Figura 8 - Esquema de transmissão de sinais de comunicação

Onde: B.B. - bobina de bloqueio; T.P. - transformador de potencial; B.D. - bobina de dreno; P.R. - pára-raio; Tx - transmissão de dados; Rx - recepção de dados; Tx / Rx - transmissão e recepção de dados.

4.2.7) Autotransformadores

Os autotransformadores são utilizados quando se faz necessária uma redução ou elevação de tensão. Encontramos bancos de autotransformadores


tanto na usina (15kV / 500 kV) como no pátio de 500 kV (500 kV / 230 kV - 13,8 kV). O termo “banco” se refere a quantidade de transformadores utilizados, já que todos eles são unidades monofásicas, sendo necessários no mínimo três transformadores para formação de um sistema trifásico. O primeiro banco de autotransformadores do pátio de 500 kV é composto por quatro unidades transformadoras, sendo três funcionais e uma para reserva. Este banco será responsável pelo abastecimento do pátio de 230 kV e fornecerá 13,8 kV para os serviços do pátio de 500 kV e para a usina (excitação das bobinas de campo dos rotores através de retificadores). Cada unidade possui um enrolamento primário (enrolamento de alta tensão) apto a receber as tensões de 550 kV, 537 kV, 525 kV, 512 kV, e 500 kV, através da comutação da conexão dos “tap’s”. Esta comutação só poderá ser realizada quando o transformador estiver “em vazio”, isto é, quando a unidade estiver desenergizada. Os enrolamentos secundários possuem derivações que permitem operação com tensões de 255,30 kV, 250,24 kV, 245,18 kV, 240,12 kV, 235,06 kV e 230 kV. A comutação destes “tap’s” pode ser feita sob carga. Já os enrolamentos terciários, não possuem nenhuma derivação e fornecerão 13,8 kV aos sistemas anteriormente citados. As ligações dos enrolamentos dos autotransformadores são feitas através de barramento rígido próprio, incluindo recursos de mudança de configuração para a entrada em operação da unidade reserva. Os enrolamentos de alta tensão (primários e secundários) são ligados na configuração estrela aterrada, enquanto que o enrolamento de média tensão (terciário) é ligado em delta. As respectivas ligações dos autotransformadores estão ilustradas na figura 9. As unidades possuem um sistema de água nebulizada para extinção de incêndio. Existe um reservatório apropriado para o recolhimento do óleo que possa vazar em caso de rompimento dos tanques dos transformadores, neste reservatório existe a possibilidade da separação do óleo da água.

Figura 9 - Esquema de ligação dos autotransformadores.

5) Sistema Digital de Supervisão e Controle

5.1) Principal e Retaguarda

Todo o controle dos dispositivos dos pátios, bem como a supervisão de seus estados serão realizados por sistemas computadorizados divid idos em : Sistema de Supervisão e Controle Principal (SDSC-P) e Sistema de Supervisão e Controle de Retaguarda (SDSC-R). Os processadores que compõem o SDSC-P são providos de sistema operacional capaz de executar aplicações em tempo real, bem como atividades críticas no tempo.(esquemas multitarefas, escalonamento das


tarefas por prioridade estática, comunicação entre tarefas, sincronização entre processos, etc.) O SDSC-P é composto pela sala de controle remota (localizada no prédio da usina) e pela sala de controle local (situada no pátio de 500 kV). A sala de controle remota se comunica, perfeitamente, com a sala de controle local e ambas, se comunicam com o Sistema de Aquisição e Controle (SAC). O SAC é composto por várias Unidades de Aquisição e Controle (UAC’s), interligadas por uma rede de fibras ópticas. Ele possui quarenta entradas analógicas e trezentas e vinte entradas digitais, além de oitenta saídas de comandos digitais. As funções e características do SAC, além da aquisição de dados dos transceptores ópticos, são:

• Relógio com alta precisão, para perfeita sincronização; • Lógica de intertravamento; • Conversão Analógico/Digital com precisão de 12 bits; • Filtragem digital de sinais.

O SDSC-R é uma versão simplificada do SDSC-P e utiliza remotas

programáveis em linguagem de alto nível e controladores lógicos programáveis (CLP’s). Este sistema é totalmente independente do SDSC-P, sendo ambos os sistemas de altíssima confiabilidade para permitir a operação do sistema.

O SDSC-P tem prioridade no acesso ao controle dos processos ocorridos tanto nos pátios de manobra quanto na própria usina hidrelétrica. O SDSC-R somente terá acesso ao sistema se o SDCS-P estiver inoperante por falha ou manutenção.

A interface do Sistema Digital de Controle e Supervisão Principal é feita através de estações de trabalho e por “softwares” apropriados, enquanto que no sistema de retaguarda são utilizados indicadores a “LED” para simplificar sua construção e baratear seu custo.

Ambos os sistemas permitem a um operador o total controle sobre todo os processos de geração, manobra e proteção, através de comando enviados via fibras ópticas. Todos os dados coletados pelo SAC são enviados aos SDSC’s e monitorados constantemente, permitindo a verificação de todas as tensões e correntes de interesse do circuito em tempo real.

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