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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
COMISSIONAMENTO DE UM REATOR DE BARRA DE 500kV
NA SUBESTAÇÃO FORTALEZA II DA CHESF
José Carneiro Fernandes Júnior
Fortaleza
Dezembro de 2010
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JOSÉ CARNEIRO FERNANDES JUNIOR
COMISSIONAMENTO DE UM REATOR DE BARRA DE 500kV
NA SUBESTAÇÃO FORTALEZA II DA CHESF
Monografia apresentada para a obtenção dos créditos da disciplina Trabalho de Conclusão de Curso do Centro de Tecnologia da Univer- sidade Federal do Ceará, como parte das exi- gências para a graduação no curso de Engenha- ria Elétrica.
Área de Concentração: Sistema Elétrico de Potência
Orientador: Prof. Msc. Nelber Ximenes Melo Co-orientador: Prof. Msc. Raimundo Furtado Sampaio.
Fortaleza
Dezembro de 2010
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JOSÉ CARNEIRO FERNANDES JÚNIOR
COMISSIONAMENTO DE REATOR DE BARRA DE 500 kV NA
SUBESTAÇÃO FORTALEZA II DA CHESF
Monografia submetida à Universidade Federal do Ceará como parte dos requisitos para obtenção do Diploma de Graduação em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Msc. Nelber Ximenes Melo Co-orientador: Prof. Msc. Raimundo Furtado Sampaio
Fortaleza
Dezembro de 2010
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A Deus, Aos meus pais, José e Sebastiana, A todos os familiares e amigos.
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AGRADECIMENTOS
Primeiramente, agradeço a Deus, por ter me dado a chance de nascer numa família amorosa e em condições privilegiadas. Aos meus pais, familiares e amigos que sempre estiveram à minha disposição no transcorrer da graduação. Aos meus orientadores Nelber Ximenes Melo e Raimundo Furtado Sampaio, por seu trabalho, paciência e conselhos. A todos os professores do Departamento de Engenharia Elétrica, colaboradores no processo de formação ao qual me submeti nos últimos cinco anos. Ao engenheiro Luis L’Aiglon Pinto Martins, por ter aceitado participar da banca examinadora. Aos técnicos Nilsson Rocha e Karen Chaves de Araújo, que se mostraram sempre dispostos a responder meus questionamentos a respeito do sistema de proteção da Chesf. A todas as pessoas que por motivo de esquecimento não foram citadas anteriormente, deixo neste espaço minhas sinceras desculpas.
viii
Fernandes Júnior, J. C. “Commissioning of a 500kV busbar Shunt Reactor in Chesf’s Fortaleza II Substation”, Universidade Federal do Ceará – UFC, 2010, 99p.
This work aims to present the main features and the commissioning of a shunt reactor installed in the 500 kV busbar of the Chesf’s Fortaleza II substation. The shunt reactor was implanted to regulate the bus voltage at this substation, which rises during light load due to the capacitive effect of the transmission lines. The protection system of this substation has a distributed architecture using numerical relays, and for the new shunt reactor installed, the busbar and reactor differential protections are the main protections of the equipment and, for backup protection, the functions instantaneous overcurrent of phase, neutral and STUB are used. The record of fault currents is done by a digital disturbance recorder connected to a Wide Area Network, which allows quick access to the oscillograph’s records from Chesf’s Intranet. Throught simulations of switching transients, it was verified that there are ideal moments for the reactor to be energized and de-energizes, justifying the use of a breaker synchronizer.
Keywords: Voltage Regulation, Shunt Reactor, Power Systems Protection,
Oscillography.
Sumário
ix
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. xii LISTA DE TABELAS ............................................................................................................ xvi
Sumário
Lista de Figuras
xii
Lista de Figuras
- INTRODUÇÃO SIMBOLOGIA xvii
- CAPÍTULO
- DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO REATOR DE BARRA
- 2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
- 2.2 REATORES: ASPECTOS CONSTRUTIVOS
- 2.3 APLICAÇÕES DE REATORES
- 2.3.1 REATOR PARA LIMITAÇÃO DE CORRENTE............................................
- 2.3.1.1 REATOR EM SÉRIE COM O SISTEMA ELÉTRICO................................
- 2.3.1.2 REATOR DE ATERRAMENTO DE NEUTRO..........................................
- 2.3.2 REATOR DE ALISAMENTO
- 2.3.3 REATOR PARA FILTRO DE HARMÔNICAS
- 2.3.4 REATOR EM DERIVAÇÃO (SHUNT)..........................................................
- 2.3.5 COMPENSADOR ESTÁTICO........................................................................
- 2.3.6 LIMITAÇÃO DA CORRENTE INRUSH
- 2.4 O REATOR DE BARRA 05E4 DA SUBESTAÇÃO FORTALEZA II
- 2.5 COMPONENTE DO REATOR
- 2.5.1 BUCHA DE ALTA TENSÃO
- 2.5.2 BUCHA DE NEUTRO.....................................................................................
- 2.5.3 RADIADORES
- 2.5.4 TANQUE DE EXPANSÃO
- 2.5.5 SECADOR DE AR À SÍLICA GEL
- 2.5.6 INDICADOR DO NÍVEL DO ÓLEO..............................................................
- 2.5.7 DISPOSITIVO DE ALÍVIO DE PRESSÃO
- 2.5.8 RELÉ DE GÁS TIPO BUCHHOLZ
- 2.5.9 MONITOR DE TEMPERATURA DO ÓLEO E ENROLAMENTO
- 2.5.10 ARMÁRIO DO REATOR
- 2.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
- 4.4 A REDE DE OSCILOGRAFIA DA CHESF xi
- 4.5 OSCILÓGRAFO DO REATOR 05E4
- 4.5.1 ESTRUTURA BÁSICA DO SIMEAS R
- 4.5.2 UNIDADES DE AQUISIÇÃO E CONDICIONAMENTO DO SINAL
- 4.5.3 AMOSTRAGEM E CONVERSÃO ANALÓGICA/DIGITAL
- 4.5.4 CÁLCULO DAS QUANTIDADES DERIVADAS
- 4.5.5 DISPAROS
- 4.6 O SOFTWARE OSCOP
- 4.7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
- CAPÍTULO
- SIMULAÇÕES DE CHAVEAMENTO DO REATOR DE BARRA
- 5.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
- 5.2 O SISTEMA TESTE IEEE 14 BARRAS.................................................................
- 5.3 O SIMULADOR PSCAD.........................................................................................
- 5.4 RESPOSTA COMPLETA PARA A CORRENTE DE ENERGIZAÇÃO
- 5.5 SIMULAÇÕES DO TRANSIENTE DE ENERGIZAÇÃO
- 5.5.1 SIMULAÇÕES DE ENERGIZAÇÃO DO REATOR NO SISTEMA IEEE
- BARRAS
- 5.6 RESPOSTA DO REATOR À DESENERGIZAÇÃO
- 5.7 SINCRONIZADOR DE DISJUNTORES
- 5.8 CONSIDERAÇÕES FINAIS
- CAPÍTULO
- CONCLUSÃO E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
- 6.1 CONCLUSÃO
- 6.2 DESENVOLVIMENTO FUTURO..........................................................................
- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- Figura 1.1 - Linhas de transmissão do sistema Chesf................................................................. LISTA DE FIGURAS
- Figura 1.2 – Elevação de tensão por efeito Ferranti
- barra Figura 1.3 – Parte Diagrama Unifilar do setor de 500 KV, mostrando o reator de linha e de
- Figura 2.1 – Reatores shunt monofásicos sem e com núcleo de aço e entreferro
- Figura 2.2 – Reatores shunt trifásicos com e sem circuito de retorno magnético
- Figura 2.3 – Posições de conexão de reatores shunt
- Figura 2.4 – Reatores conectados em delta e estrela aterrado por um quarto reator
- Figura 2.5 - Reatores Limitadores de Corrente
- Figura 2.6 – Reator de Aterramento de Neutro
- Figura 2.7 – Sistema aterrado através de reator..........................................................................
- Figura 2.8 – Reator de alisamento
- Figura 2.9 – Filtro de harmônicas
- Figura 2.10 – Circuito Pi de uma Linha de Transmissão
- Figura 2.11 – Curva de carga no Brasil em dia útil
- Figura 2.12 – Sistema elétrico genérico de duas barras
- Figura 2.13 – Circuito simplificado de reator controlado por tiristores
- Figura 2.14 – Reator limitador de corrente inrush
- Figura 2.15 – Vista frontal do reator de barra 05E4-A.............................................................
- Figura 2.16 – Diagrama Unifilar do reator 05E4......................................................................
- Figura 2.17 – Bucha de Alta tensão
- Figura 2.18 – Ponte de Shering
- às perdas Figura 2.19 - Circuito paralelo representando a capacitância do isolador e a resistência relativa
- Figura 2.20 – Bucha de Neutro
- Figura 2.21 – Radiadores do reator 05E4
- Figura 2.22 – Tanque de Expansão
- Figura 2.23 – Vista frontal e lateral do conservador de óleo isolante
- Figura 2.24– Secador de Ar
- Figura 2.25 – Secção do Secador de Ar....................................................................................
- Figura 2.26 – Indicador do nível de óleo
- Figura 2.27 – Dispositivo de alívio de pressão
- Figura 2.28 – Relé de Gás Buchholz xiii
- Figura 2.29 – Operação do primeiro estágio do relé de gás
- Figura 2.30 – Operação do segundo estágio do relé de gás
- Figura 2.31 – Monitor de temperatura do óleo e enrolamento TM1 da Tree Tech
- Figura 2.32 – Sensor de temperatura PT100 e sua curva característica
- Figura 2.33 – Armário do Reator
- Figura 3.1 – Diagrama de blocos de um sistema de proteção
- Figura 3.2 – Principais componentes de um relé eletromecânico
- instantânea Figura 3.3 – Circuito eletrônico de um relé de proteção estático com função de sobrecorrente
- Figura 3.4 – Arquitetura de um relé de proteção microprocessado
- Figura 3.5 – Sistema Digital da subestação Fortaleza II
- Figura 3.6 – Diagrama Unifilar Simplificado das proteções
- Figura 3.7 – Princípio básico da proteção diferencial
- Figura 3.8 – Característica de trip da proteção diferencial.......................................................
- Figura 3.9 – Gráfico da característica de trip completa da proteção diferencial de reator
- Figura 3.10 – Barramento com n alimentadores.......................................................................
- Figura 3.11 – Formação da corrente de estabilização
- Figura 3.12 – Característica de atuação da proteção diferencial de barra
- Figura 3.13 – Corrente primária e secundária de um TC submetido a uma falta
- TC saturado Figura 3.14 – Corrente diferencial e de estabilização para faltas fora da zona protegida e com
- saturado Figura 3.15 – Corrente diferencial e de estabilização para faltas na zona protegida e com TC
- Fortaleza II........................................................................................................................ Figura 3.16 – Distribuição dos TCs e relés da proteção diferencial de barra de 500 kV da SE
- Figura 3.17 – Diagrama lógico da função 50BF
- Figura 3.18 – Diagrama lógico completo da função 50BF.......................................................
- Figura 3.19 – Ligação do TC
- Figura 3.20 – Diagrama unifilar destacando função de proteção 50STUB
- Figura 3.21 – Conexões do sensor de temperatura e TC de bucha do TM1 ao reator..............
- Figura 3.22 – Transdutor PT100
- Figura 3.23 – Opções de Ligação do PT100 ao TM1
- Figura 3.24 – Conexões do sensor de temperatura do óleo e TC de bucha do TM1 ao reator.
- Figura 3.25 – Diagrama unifilar do setor de 500 kV da subestação Fortaleza II xiv
- Figura 4.1 – Estrutura básica de uma rede de oscilografia
- Figura 4.2 – Arquitetura original do GERCOM
- Figura 4.3 – Arquitetura atual do Sistema SIGRO
- Figura 4.4 – RDP SIMEAS R, modelo 7KE6000
- Figura 4.5 – Diagrama trifilar simplificado do reator com o oscilógrafo.................................
- Figura 4.6 – Diagrama de blocos do SIMEAS R
- Figura 4.7 – Circuito de condicionamento de sinal de tensão alternada
- Figura 4.8 – Circuito para condicionamento de sinais de corrente alternada
- Figura 4.9 – Circuito de condicionamento para tensão e corrente contínua.............................
- Figura 4.10 – Circuito de Condicionamento de Sinal para entradas Binárias
- Figura 4.11 – Compressão de dados em função do número de harmônicas
- Figura 4.12 – Faixas de operação de disparos por violação de valor mínimo e máximo
- Figura 4.13 – Valore de raiz quadrada média de uma grandeza periódica monitorada
- Figura 4.14 – Alteração de freqüência do sistema....................................................................
- Figura 4.15 – Primeira tele do Oscop Transmit
- Figura 4.16 – Seleção dispositivo a ser acessado
- Figura 4.17 – Seleção do tipo de oscilografia desejada............................................................
- Figura 4.18 – Seleção da oscilografia desejada
- oscilografia Figura 4.19 – Alteração de estado na entrada binária 15E4_ABERTO/05E4 que disparou a
- Figura 4.20 – Forma de onda na fase A do reator 05E4
- Figura 5.1 – Sistema-teste IEEE 14 barras
- Figura 5.2 – Circuito Pi de uma Linha de Transmissão
- Figura 5.3 – Fontes e cargas trifásicas do PSCAD
- Figura 5.4 – Transformador UMEC no PSCAD
- Figura 5.5 – Modelo do reator 05E4
- Figura 5.6 – Circuito montado para simulação do transiente de energização
- Figura 5.7 – Tensão no reator
- Figura 5.8 – Corrente de Energização do Reator......................................................................
- Figura 5.9 – Tensão no reator
- tensão máxima Figura 5.10 – Corrente de inrush quando o fechamento do disjuntor ocorre no instante de
- Figura 5.11 – Sistema IEEE 14 barras montado no PSCAD
Lista de Figuras
xv
Figura 5.12 – Reator inserido na barra 12 do IEEE 14 barras .................................................. 86 Figura 5.13 – Tensão de linha no barramento .......................................................................... 87 Figura 5.14 – Corrente de energização do reator no IEEE 14 barras ....................................... 88 Figura 5.15 – Corrente de inrush da energização ocorrida com tensão máxima...................... 89 Figura 5.16 – Modelo do reator na desenergização .................................................................. 88 Figura 5.17 – Circuito montado para simular a desenergização do reator ............................... 91 Figura 5.18 – Tensão no reator quando a desenergização ocorre no instante de corrente nula 91 Figura 5.19 –Tensão nos pólos do disjuntor quando a desenergização ocorre no instante de corrente nula ..................................................................................................................... 92 Figura 5.20 - Tensão no reator quando a desenergização ocorre no instante de corrente máxima ............................................................................................................................. 92 Figura 5.21 - Tensão nos pólos do disjuntor reator quando a desenergização ocorre no instante de corrente máxima .......................................................................................................... 93 Figura 5.22 – Sincronizador de Disjuntores ............................................................................. 94
Simbologia
xvii
SIMBOLOGIA
Símbolo Significado Icc Corrente de curto-circuito Vf Tensão pré-falta X 1 Impedância de seqüência positiva X 2 Impedância de seqüência negativa X 0 Impedância de seqüência zero Zn Impedância do reator de Aterramento Vi Tensão na barra i Sji Fluxo de potência aparente da barra i para a barra j Pij Fluxo de potência ativa da barra i para a barra j Qji Fluxo de potência reativa da barra i para a barra j
d ij Ângulo entre as tensões nas barras i e j
Idiff Corrente diferencial Istab Corrente de estabilização k Coeficiente de inclinação da curva característica de trip da funçãodiferencial n’ Fator de sobrecorrente calculado Pn Carga no TC em VA na corrente nominal Pi Potência interna do TC em VA Pb Carga imposta ao TC em VA n Fator de sobrecorrente Icc 3 f Corrente de curto-circuito trifásico Icc 1 f Corrente de curto-circuito monofásico RTC Relação de transformação do transformador de corrente Iajuste Corrente de ajuste da proteção de sobrecorrente PVI Valor da parcela variável por indisponibilidade D Número de dias do mês da ocorrência NP Número de desligamentos programados da FT ao longo do mês NO Número de desligamentos não programados da FT ao longo do mês Kp Fator de multiplicação para desligamento programado Ko Fator de multiplicação para desligamento não programado
Simbologia
xviii
Símbolo Significado DVDP Duração, em minutos, de cada desligamento programado numa FT DVDO (^) Duração, em minutos, de cada desligamento programado numa FT Urms Valor eficaz da tensão U Irms Valor eficaz da corrente I Ure,n Coeficiente real do enésimo harmônico de tensão Uim,n Coeficiente imaginário do enésimo harmônico de tensão Ire,n Coeficiente real do enésimo harmônico de corrente Iim,n Coeficiente imaginário do enésimo harmônico de corrente FP Fator de Potência P Potência Ativa Q Potência reativa S (^) Potência aparente Van Tensão entre a fase a e a terra Vbn Tensão entre a fase b e a terra Vcn Tensão entre a fase c e a terra Vab Tensão entre as fases a e b Vbc Tensão entre as fases b e c Vca Tensão entre as fases c e a
b Grau de desequilíbrio do sistema
THD Taxa de distorção harmônica Vm Valor máximo da tensão de uma senóide
w Velocidade angular do sistema
f Fase da tensão do sistema
ih Resposta homogênea da corrente i ip Resposta particular da corrente i e Número de Néper L (^) Indutância do reator R Resistência dos enrolamentos do reator C Capacitância paralela do reator
Q Ângulo da impedância do reator
Ibase Corrente de base do sistema Vn Tensão nominal do reator
