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SNPTEESEMINÁRIO NACIONALDE PRODUÇÃO ETRANSMISSÃO DEENERGIA ELÉTRICA

GSE-1219 a 24 Outubro de 2003

Uberlândia - Minas Gerais

GRUPO VIIIGRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAÇÕES E EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS - GSE

ORIGEM, ORDEM DE GRANDEZA E EFEITOS DA ENERGIA DO ARCO NOS CONTATOSDE SACRIFÍCIO DE SECIONADORES SELETORES DE BARRAS EM REDES

DE POTÊNCIA DE ALTA TENSÃO

Alexandre Lima Farias Marco Aurélio R. G. Moreira Gabriel Ângelo de B. Vieira* ELETROBRAS Ricardo Terni de Castro FURNAS

RESUMO

A ocorrência de queima dos contatos de sacrifício desecionadores seletores de barras, originou um estudopara o esclarecimento de questões técnicas, tais como:Quais os valores da tensão entre contatos dosecionador e qual a intensidade das correntesinterrompidas. Estariam compatíveis com as normasinternacionais aplicáveis nos ensaios de aceitação?;Qual a influência da topologia da rede na divisão dacorrente entre secionadores?; Seria possível oestabelecimento de uma seqüência de manobras queproporcionasse um desgaste mínimo dos contatos?

Este trabalho apresenta de forma consolidada asatividades desenvolvidas por vários órgãos de Furnas,com vistas ao equacionamento destas questões.

PALAVRAS-CHAVE

Secionadores de potência. Contatos de sacrifício desecionadores. Energia do arco. Transferência debarras. Medições em linha viva.

1.0 - HISTÓRICO

Foi observado na subestação de Guarulhos do sistemade transmissão de Furnas, um acentuado desgaste doscontatos de sacrifício dos secionadores seletores debarras e queima aleatória de componentes da proteçãoquando da manobra de transferência de barras.Entende-se que a operação normal de transferência delinhas entre barras, provocará um desgaste naturaldestes contatos de sacrifício. No caso da SE deGuarulhos, o nível de desgaste dos mesmos chegou aimpedir a operação normal das chaves.

As análises preliminares das condições operativas dosistema, durante as manobras de transferência debarras, e do histórico de operação e manutenção dossecionadores não permitiram uma identificação diretade causa-efeito que justificasse a ocorrência de falhasdestes contatos. Não foi detectada nenhumaperturbação no sistema quando das ocorrências dequeima dos contatos, a menos da própria queima eredução de vida útil dos mesmos. Estes secionadoresseletores de barras estão em operação há 12 anos,tendo sido aprovados em ensaios convencionaisconforme especificações e normas internacionais.

Após desmontagem de alguns destes contatos, pôde-se confirmar um desgaste excessivo. Em consulta aofabricante, o mesmo questionou quanto à possibilidadede estar ocorrendo superação dos valores máximos decorrente interrompida e queda de tensão entrecontatos, em relação aos valores especificados deacordo com a norma (IEC 1128).

A partir dessas considerações, Furnas deu início a umasérie de ações incluindo medições no campo dascorrentes interrompidas durante as manobras detransferência de barras e estudos de simulações emregime permanente, com o objetivo de se determinaras quedas de tensão ao longo dos barramentos e dasresistências de contatos dos equipamentos situadosnos ramos em paralelo com o secionador queestivesse sob análise.

Inspeções e desmontagem de outros secionadoresforam também realizadas com o objetivo de sedeterminar a extensão dos danos sofridos peloscontatos de sacrifício dos mesmos e, em particular,verificar a localização mais provável de ocorrência doinício de cada falha e a existência de conexões

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internas entre suporte de contatos e cordoalhas comelevada resistência de contato.

2.0 - SE GUARULHOS

A subestação de Guarulhos está localizada dentro damalha de 345 kV no estado de São Paulo, sendo umimportante elo entre grandes fontes de geração ecargas.

Esta SE é uma das mais antigas. Por esta subestaçãoescoa uma parcela significativa da energia gerada emItaipu, transmitida pelo sistema de corrente contínua,atendendo a Grande São Paulo e Sul de Minas Gerais.A FIGURA 1 apresenta um diagrama simplificado destasubestação, onde se observa que esta SE é compostapor 2 setores de barramento duplo.

FIGURA 1 – Unifilar simplificado da SE de Guarulhos

3.0 - ATIVIDADES DESENVOLVIDAS PARA OEQUACIONAMENTO DO PROBLEMA:

(a) a análise dos danos provocados pelas manobras detransferência de barras nos contatos de sacrifício dossecionadores e definição de modificações a seremimplementadas nestes contatos para aumento daampacidade e vida útil; (b) a simulação computacionalda rede em estudo, considerando os valores reais dasimpedâncias dos diversos elementos da rede(barramentos, cabos de interligação, disjuntores deamarre e secionadores), os acoplamentos magnéticosentre os diversos trechos de barramentos, e os valoresde fluxo de potência circulantes na subestação; (c) aoscilografia das correntes interrompidas para diversasseqüências de manobras de transferência de barrasrealizadas com oscilógrafo registrador digital (RDP),onde puderam ser obtidas as intensidades e duraçãodessas correntes; (d) a medição em “linha viva” daqueda de tensão entre contatos de um secionador detransferência de barras1; (e) a avaliação dos efeitosdas correntes de alta freqüência induzidas nos circuitosde proteção e controle durante as manobras detransferência de barras, devido aos diversosacoplamentos assimétricos existentes entre os jogosde barras e cablagens dos circuitos de controle dasubestação.

4.0 - SEQÜÊNCIA DOS TRABALHOS/MÉTODOSUTILIZADOS:

ÿ Simulação Computacional (Programa ATP);ÿ Medições de campo e testes em laboratório de alta

tensão;ÿ Comparação dos resultados experimentais e

teóricos;ÿ Levantamento do valor da energia do arco durante

abertura do secionador;ÿ Comparação com valores normalizados;

4.1 Simulação Computacional (Programa ATP)

• Realizada pelo Departamento de EstudosElétricos - DEE.O.

• Realizado o modelo elétrico da SE Guarulhos, comos parâmetros mais próximos possíveis dosvalores reais, incluindo-se todos os acoplamentosmagnéticos, comprimentos de barras e cabos eresistências (mW) dos equipamentos.

4.1.1 Resultados de simulação:

Através do programa de transitórios eletromagnéticosATP foi desenvolvido um estudo para determinar ofluxo de corrente nos diversos trechos de barramentoda subestação. Este estudo foi realizado em 2 etapasdistintas:

ß 1a Etapa : A subestação foi representada por umconjunto de impedâncias concentradas (RL), comvalores proporcionais ao comprimento dos trechos debarramentos e conforme a sua característica física:cabo ou tubo de alumínio.Os secionadores e disjuntores foram simulados por umpequeno resistor equivalente à resistência de contatoobtida através de medição ou de informação dosmanuais dos equipamentos.Cargas equivalentes (RLC) e fontes de tensãoconstante foram representadas em cada saída delinha, de modo a reproduzir condições reais deoperação da subestação.Com esta modelagem, totalmente equilibrada, foipossível determinar os valores das correntes quecirculam, não apenas nos secionadores seletores debarra, mas em todos os trechos das barras.

Desta análise se observou que, conforme aconfiguração de secionadores abertos, é possívelencontrar correntes circulando no interior dobarramento bastante superiores àquelas que fluem porcada linha, como por exemplo, nos trechos debarramentos de interligação entre platôs de diferentesníveis na área da subestação – ver FIGURA 2.

ß 2a Etapa : A subestação foi representadaconsiderando-se o acoplamento magnético existentedevido a proximidade dos equipamentos. Todos ostrechos de barramentos foram representados por ummodelo que leva em conta o efeito de onda trafegante,considerando a impedância mútua entre eles.Através da rotina “Line Constants” do ATP foramdeterminadas matrizes que representassem cadaconjunto de elementos próximos e que se julgounecessário levar em conta o efeito da indução.

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Como já era de se esperar, a resposta mostrou umcomportamento desequilibrado das tensões e correntesdentro da subestação. Entretanto, a ordem degrandeza não se alterou muito em relação ao modelomais simples.

A diferença de tensão entre os contatos de um certosecionador estudado variou de 65 a 80 Vrms, conformea fase. A Figura 2 mostra valores de corrente e fluxo depotência para uma determinada condição estudada.

Nesta configuração, passível de ocorrer em tempo real,está representada a situação em que apenas umcircuito está interligado às 2 barras. Todas as outraslinhas estão interligadas apenas pela barra B.A corrente circula no “loop” formado pelo disjuntor deamarre e o vão da linha que permanece fechada comas 2 barras. Observa-se que a corrente é muitodesequilibrada, devido ao acoplamento entre as fases.Os resultados encontrados nas medições no campoconfirmaram estes valores.Esta modelagem mais elaborada serviu para darsegurança aos resultados obtidos com o modelo maissimples, que exige menor esforço para sua elaboração.

FIGURA 2 – Resultado de simulação com programa ATP

NOTA1: Observa-se na FIGURA 2 que, nestaconfiguração operativa, a corrente no trecho debarramento de interligação atinge o dobro da maiorcorrente de linha.

NOTA2: Em duas ocasiões distintas, em configuraçõesoperativas como a anterior, ocorreu o rompimento dotrecho de interligação entre os dois setores debarramentos, por sobreaquecimento das conexões.Esta interligação é realizada com cabos.

4.2 Medições no campo e testes em laboratório

4.2.1 Medição das correntes interrompidas:

Realizada em conjunto pelas Divisões de Análise daProteção, Divisão de Equipamentos de Manobra,Divisões de Manutenção Eletroeletrônica eEletromecânica das áreas de produção de Furnas.

4.2.1.1 Equipamento Utilizado e Condições deExecução

Foi utilizado oscilógrafo registrador digital RDP, atravésdo qual foram monitorados os valores de corrente nastrês fases do TC do disjuntor de amarre e três fases doTC da linha Guarulhos/Ibiúna 1, obtendo-se asintensidades e duração das mesmas, para diversascondições de operação - ver FIGURA 3 -(a), (b), (c) e (d).

A oscilografia da corrente no ramo que contém osecionador que não possui TC, foi obtida por diferençaentre a corrente de linha e a corrente no disjuntor deamarre.

A FIGURA 3 (a) abaixo, exemplifica a condiçãointermediária durante a manobra de transferência deuma dada linha da barra B para a barra A.

FIGURA 3 – (a) Divisão de correntes entre secionadores

FIGURA 3 – (b) Manobra de fechamento do secionador 8091

FIGURA 3 – (c) Manobra de abertura do secionadorSC8093. Oscilografia da corrente no disjuntor deamarre.

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FIGURA 3 – (d) Transferência da corrente para osecionador adjacente.

A TABELA 1 abaixo, registra os fluxos de potênciaexistentes na SE de Guarulhos, durante as manobrasde transferência de barras quando da medição dascorrentes.

TABELA 1- Folha de registro dos fluxos de potência

Situação 1: - Todas as linhas na BARRA B

4.2.2 Circuito MW MVAR A FaseA/B

LI GAIN 1 - 565 58 965 340,7LI GAIN 2 - 572 0 960 339,9LT GAPC 1 500 - 69 849 339,9LT GAPC 2 465 -37 815 342,5LI TNGA 1 170 -28 270 341,2LI TNGA 2 149 - 27 270 337,0

LT CAGAIN - 184 -16 309 346,2LT GANE 2 - 1 - 1 0,7

4.2.1.2 Análise dos resultados das medições decorrente

1. A transferência da corrente entre os secionadores(componente fundamental de freqüência industrial a60 Hz) ocorre em um período de poucos ciclos,como pode ser observado nas oscilografias,diferentemente das componentes de corrente de altafreqüência e baixa intensidade (ondas oscilantesamortecidas de elevada freqüência). Estas ondas,que podem ser consideradas de frente rígida,produzidas com uma recorrência elevada a tensõesmuito altas, têm duração de vários segundosdurante boa parte do período de abertura dosecionador e amplitudes que as tornam danosaspara os equipamentos de transmissão de altafreqüência (carrier) e propagadas através dostransdutores de medidas (TP’s e TC’s), ou induzidasnos cabos de controle, podem provocar queima decomponentes ligados aos mesmos, tais comobobinas de relés e cartões eletrônicos.

2. A energia transportada por estas oscilações de altafreqüência é reduzida. Pode-se constatar que a suacontribuição em termos de energia do arco, para aqueima de contatos de sacrifício dos secionadorespode ser considerada relativamente desprezível, emrelação à contribuição da componente fundamentalda corrente interrompida para energia do arcodissipada nestes contatos.

3. No caso específico da SE de Guarulhos, verificou-seum interessante fenômeno de inversão do sentido(ângulo) da corrente. Na etapa intermediária damanobra de transferência de barras o circuitofechado formado pelas secionadoras seletoras debarras e disjuntor de amarre (indicado com a letra“X” na FIGURA 3 (a)), comporta-se com uma “espiraem curto” de um transformador, sofrendo indução deum trecho de barramentos de interligação que passapor cima deste circuito na SE de Guarulhos. Oresultado desta configuração é que após ofechamento da primeira secionadora (fechando aespira), induz-se uma corrente, cuja soma fasorialcom a corrente proveniente da linha de transmissãodá como resultado um corrente com módulo superiorà corrente da linha fluindo pelo secionadoradjacente, ou seja; ao invés do primeiro secionador,SC8091 na figura 3 (a), ao ser fechado, conduzirparte da corrente da linha, facilitando a futuraabertura do secionador adjacente (SC8093), permiteque a corrente induzida que circula pelo anel, causeuma corrente superior à corrente da linha,dificultando sobremaneira a abertura do secionadoradjacente (SC8093) e aumentando o desgaste deseus contatos de arco.No caso da SE de guarulhos, a corrente induzidanesta situação é cerca de 60 ampères, a corrente delinha da ordem de 1200A e a corrente a serinterrompida pelo secionador da ordem de 1260A, todos em valores rms.

4. Durante vários ciclos (ª0,5s), que é o tempo médiode discrepância na abertura interrompendo correnteentre pólos de um mesmo secionador, inicialmenteuma e depois duas das fases de um dado trecho debarramentos, deixa de conduzir elevados valores decorrente (correntes de linha que podem chegar a1300A). As últimas fases que permanecemconduzindo correntes não balanceadas provocaramcorrentes induzidas assimétricas em cabos eblindagem de cabos de controle.

4.2.2 Medição da queda de tensão real entre contatosdo secionador

Realizada em conjunto pelas Divisões de Linhas deTransmissão, Divisão de Equipamentos de Manobra,Divisão de Análise da Proteção, Centro Técnico deEnsaios e Medidas, Divisões de ManutençãoEletroeletrônica e Eletromecânica das áreas deprodução de Furnas.

4.2.2.1 Condições de execução da medição

A maior dificuldade ocorreu na medição do valor realda queda de tensão entre os contatos do secionador,visto que sendo esta queda de tensão o produto dacorrente de linha pela soma das impedâncias doselementos do ramo em paralelo com o secionador, amesma só poderia ser medida, com o sistema depotência em condições normais de operação, isto é,energizado (ª345 kV) e com correntes nominais(ª 1300A ). Isto se traduz em medir uma pequenaqueda de tensão, da ordem de 200 Vrms, em umelemento conectado a um potencial de alta tensão(ª200 kV para a terra) – ver FIGURA 4 abaixo.

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FIGURA 4 – Modelo de circuito para visualização daqueda de tensão entre contatos do secionador

Foram realizados no Centro Técnico de Ensaios eMedidas de Furnas, testes no sentido de medir-se estaqueda de tensão entre os contatos do secionador(resistor equivalente) de forma indireta, via 2 divisoresde potencial capacitivos aferidos (DCP’s padrão) eutilizando-se uma fonte de alta tensão (ª200 kV), parasimulação da condição real que seria encontradaposteriormente ao se realizar a medida na subestação.

Os erros de medida calculados, foram superiores aovalor que se desejava medir e o método foiabandonado.

Optou-se então por realizar a medição da queda detensão entre contatos do secionador na condição de“linha viva”, ou seja; conectando-se diretamente umvoltímetro analógico (ferro móvel) entre os contatosabertos do secionador seletor de barras SC 8093 - verFIGURAS 4 e 5.

FIGURA 5 – Voltímetro de ferro móvel com proteção devaristores para fundo de escala.

A isolação do equipamento de medição, voltímetro econdutores de interligação aos anéis corona, foirealizada a partir da utilização de andaimes isoladospróprios para trabalhos em linha viva – ver FIGURA 6.

O voltímetro foi montado em uma plataforma isolanteno topo da estrutura de andaimes isolados, e após odeslocamento do conjunto para a posição de mediçãodefinitiva, o voltímetro foi testado quanto à suaexatidão de leitura e imunidade às váriasinterferências eletromagnéticas naquele ponto.

FIGURA 6 – Andaimes isolados próprios para trabalhosem linha viva

A leitura e registro da indicação do voltímetro, foirealizada a uma distância segura, através de fotografiadigital, filmagem em VHS e uso de binóculos.

4.2.3 Comparação dos resultados medidos e teóricos

Os principais motivadores para a execução da mediçãoem campo da queda de tensão entre contatos dosecionador, foi primeiramente o fato da dificuldade deexecução de um modelo elétrico da SE de Guarulhos.Este modelo deveria ser confiável o suficiente paraeliminação das dúvidas existentes até então sobre osreais valores destas tensões e a possibilidade de estarhavendo superação em relação aos valoresnormalizados. A SE de Guarulhos recebeu ao longo dotempo, várias expansões, possuindo equipamentos ebarramentos de diversas características e lay-outbastante assimétrico entre os seus diversoscomponentes. A obtenção de um valor medidoconfiável para esta tensão, serve como referência paravalidação do modelo elétrico realizado para estasubestação, e como referência para Furnas e outrasempresas em relação aos valores normalizados paraensaios de secionadores deste tipo.Como já mencionado anteriormente, houve por partedo fabricante dos secionadores, um questionamentoquanto aos valores reais de queda de tensão entrecontatos, antes que o mesmo procedesse areavaliação do projeto dos contatos de sacrifício destessecionadores.Valores de tensão medidos: 60 ± 10% VrmsValores teórico calculado para o secionador: 65 Vrms

4.2.4 Valor da energia do arco durante abertura dosecionador

Queda de tensão no arco: 60 VrmsCorrente interrompida (f A): 1230 ADuração do arco (componente à 60 Hz): 0,441 ms(oscilografia de abertura do secionador)Potência média no arco: ª74 kWEnergia média dissipada pelo arco: ª32,5 kW.s

4.2.5 Comparação com valores normalizados

A NORMA IEC 1128 estabelece os valores máximosde capacidade de estabelecimento/interrupção (I x DV)para contatos de sacrifício de secionadores seletoresde barras classe 362 kV: São:

sDCPexatidãoVrms

Vrmserro '_(%)1,0000.200

200>==

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Imáx= 1600 ampèresVmáx entre contatos= 200 VrmsPotência média no arco máximo: ª320 kW

NOTA3: Esta norma não considera o tempo máximosustentável para estes valores de tensão e corrente noestabelecimento/interrupção, sem que ocorra danosaos contatos de sacrifício.

NOTA4: Fabricantes nacionais de secionadoresinformaram o tempo médio de 100 milisegundos parasuportabilidade ao arco, de seus contatos de sacrificio.

5.0 - CONCLUSÃO

Fundamentado nos resultados das análises emedições realizadas na SE de Guarulhos, conclusõespreliminares podem ser estabelecidas:

• A queda de tensão em valores RMS medidos entreos contatos do secionador SC8093 da SE deGuarulhos é da ordem de 60 volts, portantorelativamente inferior ao valor máximo permitido deacordo com a IEC 1128.

• Os valores da potência do arco em kW na aberturaou fechamento dos secionadores seletores debarras nesta subestação, encontram-se dentro doslimites da NORMA IEC 1128.

• A energia dissipada no arco pelas componentes decorrente de alta freqüência, durante manobras desecionadores seletores de barras, pode serdesprezada, em termos de desgaste dos contatosde sacrifício destes secionadores, mas deve serconsiderada como fonte indutora de ruído elétricoem sistemas de telecomunicação e sendopropagadas pelos transdutores de medida, poderãoprovocar queima de componentes a elesconectados.

• Ocorreu ao longo do tempo sensível acréscimo depotência transmitida através da subestação deG u a r u l h o s , agravando o problema dosdesgastes/queima dos contatos dos secionadores,e até certo ponto, agravando os problemas dequeima aleatória de componentes da proteçãoquando da manobra de transferência de barras.

• Os fluxos de potência nas diversas linhas quechegam à SE influenciam significativamente osmódulos, ângulos e sentidos das correntes nosdiversos secionadores, não sendo possívelestabelecer, uma mesma seqüência ótima demanobras para qualquer condição de fluxo depotência, que cause um menor desgaste dossecionadores. Este é um fato geral derivado dasequações de rede, e portanto aplicável a topologiassemelhantes.

• A distribuição das correntes entre os secionadoresé bastante mais dependente das condições de fluxonas linhas do que dos valores das impedâncias doselementos da rede da subestação.

• Pequenas imprecisões nos valores das resistênciase reatâncias da rede não ocasionam grandesalterações nos resultados gerais obtidos emsimulação. Deste modo, ao executar-se modelos derede para estudos desta natureza, não se justificaelevada exatidão na obtenção dos parâmetros docircuito.

• Deverão ser evitados aos máximo assimetrias eacoplamentos indesejáveis entre barramentos, taiscomo cruzamentos de barras e “emendas” debarramentos com interligações “longas” nãosimétricas.

• Na grande maioria das simulações realizadas, acorrente de uma dada linha se divide emproporções bastante desiguais entre os doissecionadores responsáveis pela manobra destalinha.

• Após minuciosa análise interna do mecanismo decondução de corrente dos contatos de sacrifíciopara a lâmina principal do secionador, foi detectadaalta resistência nas conexões, o que inibia aatuação dos contatos de sacrifício, permitindotambém o desgaste dos contatos principais dosecionador. O Fabricante propôs modificações nomecanismo de extinção de arco, tendo sidosolucionado o problema de queima dos mesmos.

• Estudos que simulem a distribuição das correntesentre secionadores seletores de barras, na fase deconcepção do projeto da SE, poderiam mostrarsituações em que os valores de correntes a seremmanobradas superam a capacidade máxima doscontatos de sacrifício dos secionadoresespecificados a priori para um dado ponto, dentroda faixa normalizada em uma dada classe detensão.

6.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

(1) N O R M A 1 1 2 8 „I E C . INTERNATIONALSTANDARD – Alternating current disconnectorsBus-transfer current switching by disconnectorsFirst edition, 02-1992.

(2) N O R M A 1 1 2 9 „IEC. INTERNATIONALSTANDARD – Alternating current earthing switches- First edition, 02-1992.

(3) NORMA BRASILEIRA. NBR 6935 – Secionador,Chaves de Terra e Aterramento Rápido, JAN/1985.

(4) DEQE.T/GS/ef, Relatório Técnico sobre Bancos deCapacitores Série de 800 kV – Operação dasChaves Secionadoras de “Bay-Pass”. FURNAS,REF. DEL.T.I. 064.90, EC/Rio de Janeiro,15.02.1990.

(5) França, W.J. Disjuntores e Chaves; EDUFF -Editora da Universidade Federal Fluminense .Niterói, RJ – 1995