Aula 1(1)

Universidade Federal do Ceará

Campus de Sobral

Curso de Engenharia Elétrica

PROTEÇÃO DE SISTEMAS

ELÉTRICOS DE POTÊNCIA

Janaína Barbosa Almada

Raimundo Furtado

Semestre: 2014.2

Email: [email protected]

TÓPICOS

Estrutura de um SEP

Sistema Interligado Nacional

Subestação

Representação dos Sistemas Elétricos

SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA

Aspectos importantes relacionados ao SEP:

• Valor econômico da energia elétrica;

• Dependência da sociedade moderna em relação ao fornecimento de energia;

• Custo da falta de suprimento de energia elétrica;

• Qualidade do fornecimento de energia elétrica.

Fatores impactantes no setor elétrico:

• Evolução tecnológica dos dispositivos eletrônicos das tecnologias de informação e comunicação (TICs);

• Crescimento dos SEPs em tamanho e complexidade;

• Desregulamentação do setor elétrico:

• Expansão da matriz energética;

• Elevada exigência em manter os SEPs dentro de padrões de qualidade, desempenho e confiabilidade.

• Código de redes: PROREDE e PRODIST.


Estrutura tradicional de uma rede de energia elétrica:


Finalidade do SEP fornecer energia aos consumidores de forma

confiável, segura, com qualidade e viabilidade econômica.


Objetivo do SEP Gerar, transmitir e distribuir energia elétrica

atendendo a determinados padrões de disponibilidade, qualidade,

confiabilidade, segurança e custos, com o mínimo impacto ambiental.

Cada elemento do SEP deve ser

protegido através de um sistema

de proteção.

SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA

Evolução do Sistema Elétrico: Expansão da Matriz Energética

Fonte: IEEE Power & Energy Magazine, Jan/2011

Apenas 1,7% da energia

requerida pelo país

encontra-se fora do SIN,

em pequenos sistemas

isolados localizados

principalmente na região

amazônica.

Integração de bacias hidrográficas

Sistema de transmissão nacional

ELEMENTOS DO SEP

Linha de Transmissão:

• Transportam energia elétrica entre dois pontos de um sistema

elétrico.

• Os pontos de origem e destino de LTs em subestações são

denominados vão de saída de linha e vão de entrada de linha,

respectivamente.

ELEMENTOS DO SEP

Rede de subtransmissão ou sistema distribuição de alta tensão:

• Transportar energia para pequenas cidades

ou grandes consumidores industriais.

• Nível de tensão: entre 35 kV e 160 kV.

• Predomina linhas aéreas e subterrâneas

(mais usadas nas proximidades de centros

urbanos).

• Impactos ambientais e sociais.

• Sistemas de proteção padronizados pelas

empresas.

SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA

Rede Básica (RB): Vn ≥ 230 kV:

• STAT – Sistema de Transmissão de Alta Tensão

Rede de Distribuição: Vn < 230 kV:

• SDAT – Sistema de Distribuição de Alta Tensão

• SDMT – Sistema de Distribuição de Média Tensão

• SDBT – Sistema de Distribuição de Baixa Tensão

SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA TENSÕES NOMINAIS PADRONIZADAS

REQUISITOS TÉCNICOS E OPERACIONAIS LIMITES DE TENSÃO - PRODIST

REQUISITOS TÉCNICOS E OPERACIONAIS LIMITES DE FREQUÊNCIA - PRODIST

SUBESTAÇÃO

Principais Funções:

• Monitorar as grandezas elétricas, visando o controle, proteção,

supervisão e automação do SEP;

• Proporcionar recursos operacionais ao SEP;

• Efetuar a regulação de tensão;

• Modificar o nível de tensão;

• Realizar a conversão da energia (SE conversora – CA/CC e

CC/CA)

Característica Física:

• Modularidade

SUBESTAÇÃO

Classificação quanto a função:

• SE de Manobra

• Permite manobrar partes do sistema, inserindo ou retirando-as de serviço, em um mesmo nível de tensão.

• SE de Transformação

• SE Elevadora

Localizadas na saída das usinas geradoras.

Elevam a tensão para níveis de transmissão e subtransmissão para transporte econômico da energia.

• SE Abaixadora

Localizadas na periferia das cidades.

Diminuem os níveis de tensão evitando inconvenientes para a população como: rádio interferência, campos magnéticos intensos, e faixas de passagem muito largas.

SUBESTAÇÃO

Classificação quanto a função:

• SE de Distribuição

• Diminuem a tensão para o nível de distribuição primária (13,8kV

– 34,5kV).

• Podem pertencer à concessionária ou a grandes

consumidores.

• SE de Regulação de Tensão

• Através do emprego de equipamentos de compensação tais

como reatores, capacitores, compensadores estáticos, etc.

• SE Conversoras

• Associadas a sistemas de transmissão em cc (SE

Retificadora e SE Inversora)

SUBESTAÇÃO

Classificação quanto ao nível de tensão:

• SE de Alta Tensão – tensão nominal abaixo de 230 kV.

• SE de Extra Alta Tensão - tensão nominal acima de 230 kV.

SUBESTAÇÃO

Classificação quanto ao tipo de instalação:

• Subestações desabrigadas - construídas a céu aberto em locais

amplos ao ar livre.

SUBESTAÇÃO


• Subestações abrigadas - construídas em locais interiores

abrigados.

SUBESTAÇÃO


• Subestações Blindadas - construídas em locais abrigados.

• Os equipamentos são completamente protegidos e isolados em

óleo ou em gás (ar comprimido ou SF6).

• Quando utiliza SF6 é chamada também de compacta.

SUBESTAÇÃO Definição:

• Conjunto de instalações elétricas em média ou alta tensão que agrupa os

equipamentos, condutores e acessórios, destinados à proteção, medição,

manobra e transformação de grandezas elétricas.

SUBESTAÇÃO

Tipos de Subestações por função:

• SE elevadora;

• SE abaixadora;

• SE distribuidora;

• SE secionadora;

• SE móvel, etc.

SUBESTAÇÃO

Composição de uma SE básica:

• São compostas por conjuntos de elementos, com funções específicas no sistema elétrico, denominados vãos (bays).

• As SE distribuidoras, usualmente, são compostas pelos seguintes vãos:

• Entrada de linha (EL);

• Saída de linha (SL);

• Barramentos de alta e média tensão (B2 e B1);

• Vão de transformação (TR);

• Banco de capacitor ou vão de regulação (BC) e

• Saída de alimentador (AL).

• Cada vão deve possuir dispositivos de proteção e equipamento de disjunção com a finalidade de limitar os impactos proporcionados por ocorrências no sistema elétrico.

SUBESTAÇÃO

SUBESTAÇÃO

Vãos de Entrada e Saída de Linha:

• Nas entradas e saídas de linhas das subestação são normalmente

instalados para-raios, transformadores de corrente, secionadores

e disjuntores.

SUBESTAÇÃO ENTRADA E SAÍDA DE LINHA

SUBESTAÇÕES

Barramentos de Subestações

• São condutores reforçados, geralmente sólidos e de impedância desprezível, que servem como centros comuns de coleta e redistribuição de circuitos.

• O tipo de barramento define a configuração do arranjo elétrico da subestação em alta e média tensão.

• Principais tipos de barramentos:

• Barramento simples.

• Barramento simples seccionados.

• Barramento principal de transferências.

• Barramento em anel.

• Barramento de disjuntor e meio.

• Barramento duplo.

SUBESTAÇÃO

SUBESTAÇÃO

Equipamentos de proteção e controle de uma SE

• Pára-raios;

• Relés;

• Disjuntores;

• Religadores;

• Secionadores fusíveis ou chaves fusíveis;

• Chave de aterramento rápido;

• Secionalizadores.

Transformadores para Instrumentos

• Transformador de Potencial (TPC e TPI);

• Transformador de Corrente (TC).

SUBESTAÇÃO

Vão de Transformação de uma Subestação:

O vão de Transformação (TR) é composto por transformador de potência, elevador ou abaixador, cuja função principal é modificar o nível de tensão entre o barramento de entrada e o barramento de saída.

SUBESTAÇÃO

Vão de Regulação:

• Banco de capacitores

• Transformador com CDC(comutador sob carga) ou

reguladores de tensão

• Compensador estático (rede básica)

SUBESTAÇÃO

Saída de Alimentadores da Subestação:

• Os Vãos de Saída de Alimentadores de uma subestação suprem rede de distribuição que alimenta, diretamente ou por intermédio de ramais, os primários dos transformadores de distribuição do concessionário e/ou consumidor.

SUBESTAÇÃO

SERVIÇOS AUXILIARES - SUBESTAÇÃO


• Os serviços auxiliares (SA) são de grande importância para a operação adequada e contínua da subestação.

• Dependendo da necessidade de maior ou menor confiabilidade do sistema utiliza-se redundância das fontes de alimentação dos SAs.

• Os equipamentos dos serviços auxiliares normalmente ficam instalados na casa de comando da subestação.


• As subestações possuem dois tipos de serviços auxiliares:

• Serviços Auxiliares em Corrente Alternada (CA)

• Serviços Auxiliares em Corrente Contínua (CC)

Fonte: Coelce

• Os principais equipamentos instalados na casa de comando são:

• Quadro de Serviços Auxiliares CA.

• Quadro de Serviços Auxiliares CC.

• Quadro de Comando, Controle, Proteção e Supervisão.

• Sistema Digital da Subestação ou Unidade Terminal Remota – UTR

• Sistema de comunicações.

• Retificador e Banco de Baterias.

• Fontes dos Serviços Auxiliares CA

• Transformador de Serviços Auxiliares (TSA)

• Grupo gerador

• Alimentação do TSA:

• Barramento de média tensão da SE;

• Secundário ou terciário do transformador de potência;

• Alimentador oriundo de uma outra subestação.


• Transformador de Serviços Auxiliares (TSA):

• Proteção do Primário: Chaves fusíveis

• Proteção do secundário: disjuntor termomagnético e/ou fusíveis limitadores.

Fonte: Coelce


• Cargas dos Serviços Auxiliares CA

• As principais cargas dos serviços auxiliares CA são:

• Sistema de ventilação forçada dos transformadores de potência.

• Retificador.

• Comutador de Derivação sob Carga (CDC) dos transformadores.

• Casa de comando.

• Tomadas e iluminação do pátio da subestação.

• Iluminação e aquecimento dos equipamentos de campo e painéis de comando e proteção.


Fonte: Coelce


Serviços Auxiliares CA – Padrão Coelce Antigo

QS

A

CA

– T

IP

O A

Pad

rão

Coelc

e A

tual

Fonte: Coelce


QS

A

CA

– T

IP

O C

Pad

rão

Coelc

e A

tual

Fonte: Coelce


SERVIÇOS AUXILIARES CA

• Serviços Auxiliares CC

• Os serviços auxiliares em corrente contínua de uma subestação normalmente são supridos através das seguintes fontes de alimentação:

• Retificador/Carregador;

• Banco de Bateria.

Fonte: Coelce



• Retificador

• Finalidade: alimentar as cargas de corrente contínua da subestação e manter em flutuação ou em carga o banco de baterias da subestação com tensão estabilizada e limitação de corrente.

• Na ocorrência de uma falta de CA, o retificador é desligado e as cargas CC passam a ser alimentadas através do banco de baterias.

• Objetivos específicos:

• suprir as cargas de corrente contínua da subestação;

• suprir a corrente de perdas internas das baterias;

• repor às baterias as correntes transitórias solicitadas nas operações dos disjuntores.



• Retificador

• O retificador converte a corrente alternada (CA) fornecida pelo transformador de serviços auxiliares, através do QSA CA, em corrente contínua (CC), com a finalidade de alimentar as cargas em corrente contínua da subestação e manter em flutuação ou em carga o banco de baterias da subestação.

Fonte: Coelce


• Serviços Auxiliares CC - Banco de Baterias

• O banco de baterias é ligado em paralelo com o retificador/carregador funcionando em regime de flutuação, mantendo assim a confiabilidade do sistema de controle, proteção e automação da subestação.

Fonte: Coelce



• Esquema Retificador-Banco de Baterias:

• Operando em regime de flutuação, normalmente o conjunto de baterias é submetido a uma tensão de flutuação de aproximadamente 132 V (60 elementos vezes 2,2 V).

• Nesta condição, o retificador sustenta as cargas permanentes e transitórias de curta duração dentro do limite de sua capacidade nominal.

• Qualquer excesso de carga será atendido pelo banco de baterias, sendo a mesma automaticamente recarregada quando cessa a carga intermitente.

Fonte: Coelce



• Esquema de Proteção contra fuga a terra:

• O sistema retificador/ bateria não é aterrado, portanto qualquer contato de um de seus pólos a terra deve ser imediatamente detectado e isolado.

• As lâmpadas A e B (no painel CA/CC) ficam permanentemente acesas, com a finalidade de supervisionar a ocorrência de aterramento nos circuitos de corrente contínua da subestação.

Fonte: Coelce



• Esquema de Proteção contra fuga a terra:

• Em condições normais, as lâmpadas apresentam a mesma intensidade luminosa.

• Caso ocorra um aterramento em um dos polos do circuito CC, uma das lâmpadas apaga ou diminui sua intensidade luminosa e a outra lâmpada ficará com intensidade maior que o normal e a corrente circulará através do relé F74 causando sua atuação e alarme sonoro.

Fonte: Coelce


PRINCIPAIS CARGAS DOS SERVIÇOS AUXILIARES

Serviços Auxiliares CA Serviços Auxiliares CC

Ventilação forçada dos transformadores

Sistema digital de automação da subestação

Retificador.

Sistema de telecomunicações;

Casa de comando.

Dispositivos de controle e proteção (relés, controle de banco de capacitores, etc);

Tomadas e iluminação do pátio da SE

Equipamentos de disjunção (motores e bobinas de abertura e fechamento dos equipamentos de

disjunção)

Iluminação e aquecimento dos equipamentos e painéis de

comando e proteção

Iluminação de emergência da casa de comando e do pátio

Comutador de Derivação sob Carga (CDC) dos transformadores.

;

.


Cargas dos Serviços Auxiliares CC

Fonte: Coelce


Serviç

os A

uxilia

res C

C

Pad

rão

Coelc

e A

tual

Fonte: Coelce


SERVIÇOS AUXILIARES CC

• Diagrama Serviços Auxiliares CC - Relé - Disjuntor

• Diagrama funcional de proteção do transformador:


• Cargas dos Serviços Auxiliares CC

• Diagrama funcional de controle, comando e sinalização simplificado


REPRESENTAÇÃO DOS SISTEMAS ELÉTRICOS

Características principais do SEP:

• Podem ser monofásicos, bifásicos ou trifásicos

• Podem ser aterrados ou isolados

• Grande número de componentes, dispositivos e equipamentos

• Possui transformadores elevando ou baixando as tensões para diferentes níveis de tensão

• Cada elemento, equipamento e dispositivo do SEP possui uma simbologia específica

• São representados através de diagramas elétricos.


Diagrama Elétrico:

• Representação de uma instalação elétrica ou parte desta através de símbolos gráficos definidos em normas nacionais e/ou internacionais.

• Devem ser elaborados considerando a instalação sem tensão e sem corrente (desligada) e os aparelhos representados através de símbolos definidos nas normas. As exceções devem ser indicadas claramente no diagrama.

• Os bornes dos equipamentos e aparelhos não devem necessariamente fazer parte de todos os diagramas.

• Condutores de diferentes tensões, polaridades ou condições de serviço, podem ser caracterizados pela espessura do traçado da linha.

• A execução correta de uma instalação depende diretamente da exatidão dos diagramas.

• Para a elaboração exata do diagrama com a representação correta dos equipamentos, condutores e dispositivos é necessário o conhecimento profundo das simbologias e características dos mesmos.


SÍMBOLO EQUIPAMENTO

Elemento ligado em estrela com centro estrela isolado

Elemento ligado em estrela com centro estrela solidamente aterrado

Zn

Elemento ligado em estrela com centro estrela aterrado por impedância Zn

Elemento ligado em triângulo ou delta

Elemento ligado em delta aberto

Elemento ligado em V

Ligação de equipamentos:


SÍMBOLO EQUIPAMENTO

Transformador com 2 enrolamentos


Transformador com CDC (Comutador de Derivação sob Carga)


Transformador sem CDC (Comutador de Derivação sob Carga)




Transformadores:

Transformadores de instrumentos


Simbologia dos diagramas unifilares: :

REPRESENTAÇÃO DOS SISTEMAS ELÉTRICOS SUBESTAÇÃO PADRÃO COELCE (CP – 011)

Simbologia dos diagramas unifilares:


Simbologia para diagramas unifilares de circuitos de iluminação e tomadas:


Principais esquemas elétricos:

• Diagrama funcional

• Diagrama unifilar

• Simplificado

• Medição e proteção

• Operacional

• Tempo

• Diagrama multifilar

• Arranjo físico

• Diagrama de fiação

• Diagramas lógicos

• Diagrama topológico

• Diagrama equivalente por fase


Diagrama Funcional:

• Deve ser um desenho de fácil interpretação.

• Representa graficamente os detalhes de todo o sistema elétrico de acordo com sua montagem ou funcionamento do equipamento, ilustrando as informações referentes à lógica dos contatos e os intertravamentos elétricos.

• Sua elaboração requer o conhecimento de todos os pontos de conexão dos equipamentos e a função de cada ponto de ligação e deve estar em conformidade com os desenhos dos equipamentos fornecidos pelos fabricantes para evitar possíveis erros nas alimentações e conexões.

• Contempla circuitos de alimentação, comando e controle.

ESQUEMA ELÉTRICO FUNCIONAL

Diagrama Funcional:


Diagrama Funcional:

Fonte: (TFC, UFC, Silva, 2010)


Diagrama de Fiação:

• Têm a função principal de auxiliar na montagem do projeto elétrico da subestação.

• Mostra todas as ligações internas ao painel.

• Para o diagrama de interligação utiliza-se o agrupamento dos condutores que interligam os mesmos equipamentos e possuem as mesmas funções.

Fonte: (SOUSA, 2007, UFES)


Diagrama Lógico:

• Representa a forma de programação das operações a serem realizadas pelo relé fazendo uso de lógica digital, utilizando informações de entrada, variáveis e comandos.

• Podem ser utilizados para operar equipamentos, bloquear operações, sinalizar eventos, compor uma nova função de proteção, realizar intertravamentos etc.

• Esse diagrama faz parte dos manuais de relés e projeto de proteção, controle e supervisão da subestação.

Fonte: (SOUSA, 2007, UFES)


• Representa um sistema elétrico através de uma única fase.

• Pode representar sistemas monofásicos, bifásicos ou trifásicos.

• Dependendo da finalidade indicar ou omitir dados de condutores e equipamentos (fase, neutro, retorno, terra), impedância dos elementos, capacidade nominal, capacidade de interrupção, tipo de ligação, código operacional, etc.

• Devem representar a posição física dos componentes da instalação mostrada em uma planta arquitetônica;

• Não representa com clareza o funcionamento e seqüência operacional do circuito.

• Devem dispor de legenda indicando o significado de cada símbolo.

DIAGRAMA UNIFILAR

Código Descrição

01G1 0: Gerador 1: 16kV G1: posição do gerador 1

11G1 1: Disjuntor 1: 16kV G1: disjuntor na posição G1

31G1 3: Chave seccionadora

1: 16kV G1: chave na posição G1

71T1-A 7: Pára-raio 1: 16kV T1: pára-raio na posição T1

A: enrolamento de T1

01T1 0: Transformador 1: 16kV T1: posição do transformador 1

05B2 0: Barramento 5: 500kV B2: barra 2

35T1-7C 3: Chave seccionadora

5: 500kV T1: chave do trafo de força

7: chave de aterramento C: posição da chave no enrolamento C do trafo

85T1 8: Transformador de corrente

5: 500kV T1: disjuntor na posição do transformador 1

DIAGRAMA OPERACIONAL

Diagramas Unifilar Operacional – Regional

Fonte: Coelce


Diagramas Unifilar Operacional - Subestação


DIAGRAMA DE TEMPO

Diagramas de Tempo Curto-circuito trifásico:

DIAGRAMA DE TEMPO

• Representam circuitos bifásicos (diagrama bifilar) ou trifásicos (trifilar).

• Representa um circuito elétrico completo, em detalhes, com todos os condutores representados por linhas utilizados nas ligações dos componentes.

• Detalha todas as conexões de um determinado circuito.

• Permite visualizar à que fase um circuito terminal ou um quadro está conectado.

• Impossível representar um projeto de uma instalação completa na forma multifilar.

DIAGRAMA MULTIFILAR

Diagramas Trifilares:

DIAGRAMA MULTIFILAR

• Representa as grandezas normalizadas.

• Simplifica a análise numérica.

• Elimina o efeito particionador dos transformadores.

• Usado para mostrar os dados de impedância de geradores, linhas, transformadores, capacitores, cabos, etc.

DIAGRAMA DE IMPEDÂNCIAS

EQUIVALENTE POR FASE

BIBLIOGRAFIA

ONS. Sistema interligado Nacional, 2014.

Notas de aula do Professor Raimundo Furtado, 2013.

PRODIST. Procedimentos de Distribuição. ANEEL.

Aula 1(1)

Engineering

Transcript of Aula 1(1)