chave ritz cemig relatorio 1

FUNDAO CHRISTIANO OTTONI

Contrato RITZ do Brasil/FCO-UFMG

Anlise experimental do transitrio eletromagntico devido manobra de uma chave secionadora mvel com acionador remoto

Estudo terico: Proposio de um arranjo e de um roteiro de testes a serem realizados no Laboratrio

de Alta Tenso da AREVA, nos prottipos de chave, para garantir a capacidade de abertura para correntes capacitivas tpicas de sistemas de 230, 345 e 500 kV.

Preparado por:

Jos Osvaldo Saldanha Paulino

Wallace do Couto Boaventura

Departamento de Engenharia Eltrica UFMG

Setembro de 2008

Rel.01.09/2008-DEE.FCO.RITZ-24p

Verso original: 17/09/2008

Reviso: 17/08/2009

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Sumrio 1) Introduo 2) Parmetros tpicos 3) Proposta de ensaio 4) Outros ensaios 5) Analise preliminar do transitrio na SE 6) Referncias bibliogrficas

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1) Introduo

O projeto visa o desenvolvimento de uma chave secionadora mvel, montada em um andaime de linha viva e com acionamento remoto. A chave ser aplicvel em tenses de 230kV a 500kV e possibilitar o desligamento de pra-raios e TPCs sem a necessidade de desligar a LT. A chave associada tcnica de Linha Viva permitir a manuteno, ensaio ou substituio de pra-raios e TPCs [1].

Para o desligamento dos TPCs e pra-raios so necessrias algumas manobras da chave. A figura 1 mostra um desenho esquemtico da chave, a figura 2 ilustra a chave nas posies aberta, fechada e durante a operao de fechamento.

Figura 1 Desenho esquemtico da chave.


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Figura 2 Posies da chave, a) aberta, b) fechando e c) fechada. As figuras 3 a 18 ilustram a principais operaes do processo de desligamento dos

equipamentos.

Figura 3 Passo 1: monta-se o andaime com a chave secionadora aberta.


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Figura 4 Passo 2: conecta-se o primeiro jumper em LV.

Figura 5 Passo 3: conecta-se o segundo jumper em LV.


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Figura 6 Passo 4: fecha-se a chave secionadora.

Figura 7 Passo 5: Desconecta-se os jumpers dos equipamentos em LV.


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Figura 8 Passo 6: abre-se a chave secionadora.

Figura 9 Passo 7: retira-se o segundo jumper e a manuteno realizada .


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Figura 10 Passo 8: instala-se novamente o segundo jumper .

Figura 11 Passo 9: fecha-se novamente a chave secionadora .


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Figura 12 Passo 10: conecta-se os jumpers dos equipamentos em LV .

Figura 13 Passo 11: abre-se a chave secionadora


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Figura 14 Passo 12: desconecta-se o segundo jumper em LV

.

Figura 15 Passo 13: desconecta-se o primeiro jumper em LV .


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Figura 16 Passo 14: retira-se o andaime com a chave .

Todas as etapas mostradas nas figuras 3 a 16 envolvem o chaveamento de capacitncias. Nos passos 6 e 9, figuras 8 e 11, devido aos valores elevados das capacitncias chaveadas haver a formao de arcos eltricos mais intensos entre os contatos (mvel e fixo) da chave.

No passo 9 o arco extinto quando o processo de fechamento termina. No passo 6 a chave dever ser capaz de extinguir o arco eltrico.

Estes dois passos, a energizao e a desenergizao do conjunto PR/TPC, so os passos mais crticos do processo de utilizao da chave secionadora mvel.

Do ponto de vista de operao da chave, a desenergizao implica na dificuldade de extino do arco formado entre os contatos da chave.

Do ponto de vista da subestao a operao da chave implica na gerao de correntes de freqncias elevadas que podem provocar sobretenses nos transformadores, este fenmeno ser analisado rapidamente no item 4.

A capacidade da chave de extinguir arcos esta diretamente relacionada a dois parmetros da chave: a distncia entre os contatos e a velocidade de abertura. A distncia entre contatos, fixo e mvel, um parmetro difcil de ser alterado tendo-se em vista que a mesma foi definida em funo das distncias entre barramentos, critrios de segurana de Linha Viva, etc. Entretanto, a velocidade de abertura um parmetro que pode ser alterado.

O objetivo desse estudo propor uma metodologia de testes de laboratrio a serem realizados no prottipo de modo a garantir que a chave seja capaz de extinguir os arcos eltricos originados no processo de abertura.



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2) Parmetros tpicos

Para a proposio de um arranjo e de um roteiro de testes a serem realizados no Laboratrio de Alta Tenso da AREVA, nos prottipos de chave, para garantir a capacidade de abertura para correntes capacitivas tpicas de sistemas de 230, 345 e 500 kV necessrio a determinao dos parmetros relevantes na formao dos arcos (indutncias, capacitncia e impedncias envolvidas);

A referncia [2] sugere os seguintes valores para as capacitncias de uma SE de 230 kV:

capacitncia do transformador CT = 3200 pF; chave secionadora CS = 100 pF; pra-raios - CPR = 100 pF; disjuntor CD = 100 pF; isolador CI = 80 pF; transformador de corrente - CTC = 500 pF; divisor capacitivo CDC = 5000 pF.

A referncia [2], tambm, sugere que a indutncia tpica de cabos na vertical :

LCabo-Vertical = 1,0 H/m.

A referncia [4] sugere os valores dados na tabela 1 para as correntes capacitivas dos elementos de uma SE, os valores das capacitncias foram calculados a partir dos valores das tenses e das correntes.

TABELA 1 Correntes e capacitncias tpicas de elementos de SEs Equipamento 72,5 kV 145 kV 245 kV 550 kV

I (A) C(nF) I(A) C(nF) I(A) C(nF) I(A) C(nF) TC 0,03 1,9 0,04 1,3 0,04 0,75 0,12 1

TPC --- --- 0,16 5 0,27 5 0,59 5 Barramento

(por km) 0,2 12 0,39 12 0,65 12 1,3 11

Linha (por km) 0,18 11 0,29 9 0,50 9 1,6 13

Com base nos parmetros anteriores foi utilizado o circuito equivalente, mostrado na figura 17, para a subestao e a linha.


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CSE = 3,0 a 100 nF RSE = 0 LSE = 0 ZLINHA = 400

Figura 17 Circuito equivalente para a subestao e uma linha.

Conforme ser visto no item 3 a pior condio para RSE e LSE iguais a zero.

A figura 18 mostra os circuitos equivalentes para o pra-raios, para um TPC e pra o conjunto PR/TPC.


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CPR = 100 pF LJUMPER = 1,0 H/m CTPC = 5,0 nF

Figura 18 Circuitos equivalentes para o PR, o TPC e o conjunto PR/TPC.

A figura 19 mostra um circuito equivalente completo, envolvendo a subestao a e a chave mvel.

Figura 19 Circuito equivalente completo.

3) Proposta de ensaio A referncia [4] apresenta os resultados de uma Tese de Doutorado defendida

na Holanda, em 2004, onde uma srie de ensaios sobre a abertura de chaves


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secionadoras foi realizado. A tese analisa trs tipos de chaveamentos, ilustrados na figura 20.

Figura 20 Tipos de chavemento. O caso em estudo se enquadra no tipo b, chaveamento de carga capacitiva. A

mesma referncia [4] afirma que este tipo de chaveamento pode gerar sobretenses elevadas e sugere tambm valores mximos de corrente capacitiva que devem ser chaveados.

A analise experimental feita em [4] utiliza o circuito da figura 21, como sendo representativo de chaveamentos capacitivos em SEs. Os ensaios foram realizados no KEMA, Holanda, em 2003.

Figura 21 Circuito utilizado nos ensaios da referncia [4]. Os ensaios foram feitos em uma chave de 300 kV, com abertura central, figura

22.

Figura 22 Chave com abertura central e horizontal.


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Os valores das capacitncias utilizados nos ensaios esto na tabela 2.

Tabela 2 - Valores da capacitncias utilizados nos ensaios CS (nF) CL (nF)

4,3 10,7 19,3 38,6 40 1,5 X X X X 6 X X X

20 X X 60 X X X X

100 X A anlise dos resultados dos ensaios mostrou:

para correntes capacitivas menores do que 1 A, a interrupo ser realizada com sucesso desde que a distncia entre os contatos da chave seja adequada para suportar a tenso transitria de restabelecimento (recovery voltage) que depende diretamente da relao CS/CL;

para correntes maiores do que 1 A, efeitos trmicos aparecem e o processo de interrupo fica mais complexo e difcil;

os maiores tempos de existncia de arco, bem como os maiores valores de sobretenses ocorrem quando CS/CL < 1;

para I = 2 A e CS/CL = 0,1 a chave no conseguiu interromper o arco.

A referncia [4] faz uma anlise terica do circuito da figura 23, que uma simplificao do circuito da figura 21.

Figura 23 Circuito de teste simplificado.

Com a chave aberta, as tenses no lado da fonte e no lado carga capacitiva so VS e VL, a carga nos capacitores CS e CL so dadas por (1) e (2):

SSSCVQ = (1)

LLLCVQ = (2)



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A carga total e dada por (3):

LLSSTotalCVCVQ = (3)

Depois do arco, as tenses tendem a um mesmo valor, VE, (4) e (5):

LS

Total

ECC

QV

+= (4)

LS

LLSS

ECC

CVCVV

+

= (5)

Antes da formao do arco, as tenses entre os contatos da chave igual a VD,

(6):

LSDVVV += (6)

Substituindo o valor, VD, na equao (5), tm-se as equaes (7) e (8):

LS

SDLSS

ECC

)VV(CCVV

+

= (7)

L

S

D

SE

CC

1

VVV

+= (8)

O valor de pico da sobretenso para a terra (UOV) que aparece no circuito da

figura 23 dado por (9):

)VV(UUESSOV

+= (9) Substituindo a equao (8) em (9) tem-se a equao (10):

L

S

LS

SOV

CC

1

)VV(UU

+

++= (10)

Onde um fator de atenuao que depende das perdas do circuito, que no foram representadas na figura 23. Os piores casos so para = 1.

A analise da equao (1) permite as seguintes concluses: CS > CL: o termo (1+CS/CL) grande e UOV ser de baixo valor;


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CS < CL: o termo (1+CS/CL) pequeno e UOV ser de alto valor; se CS


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Figura 26 Circuito do arranjo a ser montado em laboratrio. A figura 27 mostra o circuito equivalente do arranjo mostrado na figura 26.

Figura 27 Circuito equivalente do arranjo laboratorial.

necessrio obter junto AREVA as caractersticas de seu sistema de testes de alta tenso, os principais dados so:

valor da potncia reativa mxima que o sistema suporta alimentar; parmetros do transformador de teste (tenses, potncia, capacitncia,

impedncia de disperso ,resistncia dos enrolamentos, etc.); eventuais capacitores e indutores de alta tenso existentes no laboratrio

(tenso superior a 300 kV);



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tipo de divisor de tenso, se capacitivo quais os valores das capacitncias; tempo de resposta do sistema de medio de tenso. Se possvel, sugere-se que os testes sejam feitos com as relaes: CS/CL = 0,1; CS/CL = 1,0; CS/CL = 2,0. Onde (vide figura 27): CL = (CTPC+CPR) CL = 5,1 nF; CS = (CA+C2) CS = 510 pF; CS = 5,1nF e CS = 10,2 nF.

4) Outros ensaios

Alm dos ensaios descritos no item 3, que visam testar o prottipo do ponto de vista da capacidade de abertura de correntes capacitivas, outros ensaios devero ser realizados. Como a chave mvel ir operar em sistemas de tenso de at 500 kV os valores de testes devero contemplar esta classe de tenso.

Obrigatoriamente, os seguintes testes devero ser realizados: tenso suportvel de impulso atmosfrico;

chave aberta (entre contatos); chave fechada (lmina-terra);

tenso suportvel de manobra a seco; chave aberta (entre contatos); chave fechada (lmina-terra);

tenso suportvel de 60 Hz; a seco (entre contatos); sob chuva (entre contatos); a seco (lmina-terra); sob chuva (lmina-terra);

durabilidade mecnica 250 operaes sem mal funcionamento; medio da resistncia hmica (chave fechada); medio da resistncia de isolamento; tenso disruptiva de impulso atmosfrico; tenso disruptiva de 60 Hz;

5) Analise preliminar do transitrio na SE

A referncia [2] afirma: Nos ltimos anos, no Brasil, tm sido relatadas falhas dieltricas em

transformadores, devidas interao com o sistema eltrico de potncia. Em alguns


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casos, no foi possvel efetuar um claro diagnstico, mas h evidncias de que a causa mais provvel tenha sido manobras de energizao.

O artigo apresenta alguns resultados de simulao relativos chaves secionadoras atuando no chaveamento de pequenos trechos de barramentos e disjuntores atuando na energizao dos transformadores. A figura 28 mostra o diagrama unifilar da SE.

Figura 28 Diagrama unifilar da SE, adaptado de [2].

A figura 29 mostra um resultado referente operao da chave CS3. A figura mostra a forma de onda de tenso no transformador TR1.


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Figura 29 Tenso no terminal de 230 kV do transformador TR1 devido manobra da

chave SC3. Retirado de [2]. A figura 30 mostra um resultado referente operao do disjuntor DA

energizando o transformador TR1. A figura mostra a forma de onda de tenso no transformador TR1.

Figura 30 Tenso no terminal de 230 kV do transformador TR1 devido manobra do

disjuntor DA. Retirado de [2].



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As tenses nos terminais do transformador apresentaram as caractersticas mostradas na tabela 3.

Tabela 3 Caractersticas das tenses nos terminais de 230 kV do

transformador TR1 Manobra Tenso no TR1

(kV) Tenso no TR1

(p.u.) Freqncia dominante

(kHz) Chave CS3 201 1,07 440

Disjuntor DA 353 1,88 102 O valor da sobretenso devido operao da chave bem menor do que o valor

quando da operao do disjuntor, entretanto o valor da freqncia dominante bem maior. Os modelos de alta freqncia para transformadores de potncia no so bem conhecidos e o receio da ocorrncia de ressonncia grande. A referncia [2] alerta que a ocorrncia de sobretenses de baixo valor vale apenas para o caso estudado e no deve ser generalizado para outros casos.

A referncia [3] afirma: mais difcil interromper uma corrente capacitiva do que interromper a corrente a vazio de transformadores ou correntes resistivas. Este tipo de interrupo caracterizado por uma srie de reacendimentos do arco eltrico quando o valor de corrente est prximo de zero... a interrupo de correntes capacitivas gera transitrios complexos com freqncia elevadas e com sobretenses que podem chegar a 3 pu.

A referncia [5] afirma em suas concluses: A interrupo de correntes de magnetizao e de correntes capacitivas implicam na ocorrncia de sobretenses. Estas sobrtetenses provocam strees no isolamento dos equipamentos adjacentes. Recentemente, vrias evidncias (no publicadas) indicam que as sobretenses iniciam descargas parciais, que podem levar, em ltima instncia, queima de equipamentos. Este assunto demanda maiores investigaes.

A referncia [3] alerta para outro problema que a operao de pra-raios durante a operao de chaves secionadoras interrompendo pequenas correntes.

Recomenda-se a realizao de um estudo aprofundado sobre os transitrios gerados na SE devido operao da chave secionadora mvel, principalmente no caso de chaveamento de cargas de grande capacitncia como os TPCs. 6) Referncias bibliogrficas

1. Projeto de P&D Chave mvel com acionador remoto. CEMIG/AREVA/RITZ. Apresentao em Power-point. 2008.

2. Carvalho, F.M.S., Azevedo, R.M., Vaisman, R.; Sobretenses transitrias de alta freqncia provocadas por manobras de disjuntores e chaves secionadoras em subestaes E.A.T. isoladas a ar. SBSE 2008, Simpsio Brasileiro de Sistemas Eltricos 2008, Belo Horizonte, MG, 27 a 30 de abril de 2008.



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3. IEEE Guide to Current Interruption with Horn-Gap Air Switches. IEEE C37.36b-1190.

4. Peelo,D.F., Current Interruption Using High Voltage Air-Break Disconnectors. Tese de Doutorado. Technische Universiteit Eindhoven. Maro de 2004.

5. Peelo, D.F., Current Interrupting of Air Break Disconnect Switches, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. PWRD-1, No. 1, January 1986.

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