ARRANJOS DE SUBESTAÇÕES I. INTRODUÇÃO As subestações são definidas pela NBR 5460/1981, Terminologia de Sistemas Elétricos de Potência, como: - " Parte de um sistema de potência, concentrada em um dado local, compreendendo primordialmente as extremidades de linhas de transmissão e/ou distribuição, com os respectivos dispositivos de manobra, controle e proteção, incluindo as obras civis e estruturas de montagem, podendo incluir também transformadores, equipamentos conversores e/ou outros equipamentos ". Uma definição mais simples relacionada com a sua finalidade é: - " Um conjunto de equipamentos com a finalidade de manobrar, e/ou transformar, e/ou regular a tensão elétrica ". Uma subestação deverá atender ao operador do sistema elétrico de potência, que é de conduzir das fontes geradoras até o usuário, a energia elétrica que ele necessita. Para esta finalidade ela deverá então permitir em conjunto ou isoladamente realizar: Manobras: Conexões ou desconexões de parte do sistema elétrico, ao restante do mesmo, para orientar o fluxo da energia elétrica ou isolar partes defeituosas, garantindo assim a segurança do sistema; Transformação: Mudanças dos níveis de tensão para adequá-los ao sistema de transmissão ou distribuição; Regulação: dentro de faixas admissíveis, de cada nível de tensão elétrica do sistema. Assim, uma subestação que realize estas três funções será constituída de chaves seccionadoras, disjuntores, transformadores de força e dispositivos de controle de tensão, tais como transformadores reguladores ou controladores de reativos (bancos de capacitores/condensadores síncronos ou controladores estáticos a tiristores). A segurança do sistema será garantida através da instalação nas subestações de dispositivos automáticos que agindo através dos disjuntores permitirão isolar as partes defeituosas e orientar o fluxo de energia sobre circuitos alternativos.
Estes dispositivos realizarão também a proteção da própria subestação. Portanto, uma quarta função, a de autoproteção, também deve ser considerada, embora não ligada às finalidades das subestações. Para realização da autoproteção, além de dispositivos automáticos que atuam ao se caracterizar a existência de uma falha, outros elementos passivos são necessários. Estes elementos são por exemplo: um bom projeto elétrico com adequada disposição de equipamentos e espaçamentos, adequada coordenação de isolamento e equipamentos que visam reduzir as solicitações a níveis razoáveis, tais como: pára-raios e reatâncias em derivação.
II. GENERALIDADES Dentro da definição que se deu para subestação, os exemplos mais simples corresponderiam a uma chave seccionadora no meio de uma linha de transmissão ou um transformador na extremidade de uma linha. À medida que aumentam as exigências feitas à subestação, ela evolui e torna-se mais complexa. Além dos equipamentos necessários, que dependem do grau de proteção que se deseja para a subestação e das solicitações que o sistema impõe, requisitos especiais serão necessários para atendimento da flexibilidade e segurança operativa. Na existência de mais de dois circuitos, será normal a existência de uma barra para sua interligação. Com o aumento do número de circuitos, as instalações se tornarão mais complexas; porém, se os examinarmos atentamente, verifica-se que é limitada a possibilidade de escolha da forma de realizar as conexões elétricas entre os vários circuitos. A disposição elétrica relativa dos barramentos de uma subestação, entre si e em relação aos dispositivos de manobra dos circuitos, é o que se define como arranjo de barramentos. A ligação elétrica só é possível através da ligação física, mesmo quando se utilizam equipamentos que proporcionem uma isolação galvânica entre circuitos. As possibilidades de realização dos arranjos físicos são, entretanto, muito mais amplas. Existe uma bibliografia diversa, em geral emitida por profissionais de empresas, sobre a escolha de arranjo de barramentos. O comum a toda esta bibliografia é que não existe arranjo ideal, mas um arranjo adequado a cada caso, e que os arranjos utilizados em cada país estão muito ligados a sua tradição, aos seus sistemas elétricos e a considerações econômicas.
Para os arranjos físicos, embora existam fatores similares aos dos arranjos de barramentos, pode se dizer que a escolha recai sempre sobre a solução econômica. O que se vai apresentar a seguir são critérios para auxílio na escolha dos arranjos e em seguida alguns exemplos ilustrativos. Os critérios se aplicam indistintamente a subestações de usinas, subestações seccionadoras ou subestações de distribuição. A grande diferença estará na ponderação que se dará a cada um deles.
lll. ARRANJOS DE BARRAMENTOS lll.1. CRITÉRIOS TÉCNICOS Sendo as subestações elementos do sistema elétrico, com função conforme apresentado no item l, podem ser estabelecidos critérios relacionados às mesmas, para escolha de arranjos de barramentos. Estes critérios ou requisitos a serem atendidos pelos arranjos de barramentos são os seguintes: - Segurança do Sistema Elétrico; - Flexibilidade Operativa; - Condições para limitação do nível de curto-circuito; - Simplicidade do sistema de proteção. A importância de cada um dos requisitos variará de caso para caso, e dependerá essencialmente do papel a ser desempenhado pela subestação dentro do sistema elétrico. Alguns critérios adicionais também devem ser considerados, embora não diretamente relacionados com os propósitos das subestações. São eles: - Facilidades de manutenção; - Facilidades de expansão. Apresentaremos a seguir comentários sobre os critérios citados e em seguida analisaremos os arranjos das figuras 1 e 2 à luz destes mesmos critérios.
III.1.1 SEGURANÇA DO SISTEMA ELÉTRICO No planejamento de um sistema elétrico é fundamental a definição de requisitos a serem atendidos pelas subestações para que a segurança do sistema seja, obtida. Estes requisitos deverão certamente considerar que nenhuma subestação será totalmente confiável. O arranjo ideal seria aquele que para qualquer falha interna resultasse sempre na possibilidade de eliminação da mesma sem perda da interligação do sistema elétrico, e para qualquer falha no sistema elétrico apenas e exclusivamente o elemento afetado seria isolado. Isto é impossível de ser alcançado, porém pode se chegar próximo. Considerando este conceito pode-se dizer que do ponto de vista da falha externa os arranjos mais adequados seriam aqueles que têm disjuntores distintos para cada circuito e para falhas internas aqueles que têm duplicação das possibilidades de interligação dos circuitos. Um arranjo que praticamente satisfaz estas condições é o arranjo chamado de disjuntor duplo e barra dupla. Neste arranjo são duplicadas as possibilidades de interligação dos circuitos e cada circuito tem disjuntores distintos para sua isolação, porém, sendo necessário a abertura de dois disjuntores, a probabilidade de não ser bem sucedido na isolação da falha externa é maior.
III.1. 2 FLEXIBILIDADE OPERATIVA Flexibilidade operativa significa poder repartir as cargas ativas e reativas de acordo com as necessidades do sistema. Assim, deve ser possível agrupar os circuitos para se obter as melhores condições de regulação, tanto em condições de operação normal quanto em condições de emergência. Nestas condições os arranjos com barramentos múltiplos, nestes incluindo-se arranjos tipo disjuntor e meio, disjuntor e um terço e duplo disjuntor, são superiores aos arranjos em anéis. Deve-se notar que a flexibilidade operativa desejada estará intimamente ligada à estrutura do sistema elétrico planejado. Alguns aspectos de ordem prática também devem ser considerados. Assim alguns arranjos são de difícil visualização pelo operador, em outros a transferência de cargas exige grande número de manobras e outros, quando de rejeições de carga, exigem número maior ainda de manobras, pois as mesmas devem ser realizadas em seqüências bem definidas.
Deve-se ainda considerar que, quando se está fazendo uso da flexibilidade pode-se também estar reduzindo a segurança operativa. Um exemplo disto são os arranjos em anel ou tipo um e meio disjuntor onde, para obtenção da segurança deve-se operar com todos disjuntores fechados. Entretanto quando se faz uso da flexibilidade, parte dos disjuntores estarão abertos.
III.1.3 LIMITAÇÃO DO NÍVEL DE CURTO-CIRCUITO Sendo a vida útil de uma subestação de pelo menos 25 anos, e considerando que no planejamento de um sistema elétrico nem sempre é possível prever sua estrutura para prazos superiores a 10 ou 15 anos, é provável que em algumas subestações os níveis de curto-circuito superem após um determinado período de operação os níveis considerados no projeto. Um aspecto, portanto a ser levado em conta na escolha do arranjo de barramento, seria a possibilidade de através de seccionamento do mesmo manter o nível de curto-circuito no local dentro da capacidade dos equipamentos. Este aspecto deve ser examinado com atenção, pois em alguns casos se poderá de início prever qual, o máximo curto-circuito ao longo de toda a vida, não necessitando nenhuma precaução especial. Em outros casos, porém não sendo possível previsões, os investimentos iniciais para atendimento de qualquer evolução futura podem tornar a instalação não econômica.
III.1.4 SIMPLICIDADE DO SISTEMA DE PROTEÇÃO Um sistema de proteção simples é fundamental para o bom funcionamento da instalação e sua simplicidade é proporcional a dos arranjos de barramentos. Sistemas de proteção complexos implicam em maiores possibilidades de falhas. Sistemas que necessitam da manobra de apenas um disjuntor para isolar os elementos com defeito são preferíveis sobre os que necessitam da manobra de dois ou três disjuntores. Arranjos de barramentos com múltiplas barras, quando se pretende sua plena utilização, resulta em sistema de intertravamentos complexos que pode comprometer o bom funcionamento da instalação. Sistemas nos quais cada disjuntor pode pertencer a mais de uma zona de proteção também são mais complexos.
É fundamental, portanto, na escolha de um arranjo de barramentos que se avalie corretamente os benefícios que uma solução complexa com grande flexibilidade operativa pode trazer, comparado a complexidade inerente ao seu sistema de proteção. Na medida em que adotam sistemas automáticos de restabelecimento de serviço (religamento etc...) mais importante se torna a simplicidade do arranjo.
III.1.5 FACILIDADES DE MANUTENÇÃO Considerando que uma subestação não é livre de manutenção isto deve ser levado em conta na escolha do arranjo de barramentos. O que, durante a manutenção, ficará fora de serviço, por quanto tempo e como isto afeta a segurança do sistema devem ser os aspectos a examinar. Estas considerações podem levar a soluções com equipamentos ou circuitos duplicados ou soluções com equipamentos facilmente substituíveis na medida em que o consumidor possa suportar pequenas interrupções.
III.1.6 FACILIDADES DE EXPANSÃO Uma expansão de uma subestação ao longo de sua vida útil é bastante provável. Sempre que a expansão corresponde à adição de novas seções similares às existentes ela será relativamente simples. Expansões que resultem na mudança do arranjo inicial, seja pela inclusão de novos barramentos seja por qualquer outra modificação, são sempre muito complexas. Quando uma subestação é planejada e se sabe que ela deverá se transformar, por exemplo, de subestação de distribuição em subestação de seccionamento, torna-se necessária uma avaliação precisa da situação, pois poderá ser mais adequado construí-la diretamente em seu arranjo final apesar dos investimentos iniciais superiores. A expansão da subestação, uma vez considerada em seu projeto, será então sempre relativamente simples, trazendo apenas problemas devido às interrupções de serviço ou condições de operação não ótimas durante a realização da mesma.
III.2 ARRANJOS DE BARRAMENTOS Nas figuras 1 e 2 são exemplificados diversos arranjos típicos. Os arranjos da figura 1 se caracterizam pelo uso de barramentos para interligação entre circuitos e o uso de um, disjuntor por circuito.
Os arranjos da figura 2 se caracterizam pelo uso de disjuntores para interligação entre circuitos e eventualmente de barras e o uso de mais um disjuntor por circuito. Destes são bastante utilizados no Brasil os seguintes:
a) barra principal e barra de transferência; b) barra dupla com by-pass; c) barra dupla com barra de transferência; d) disjuntor e meio; e) anel duplo ou interligado.
Os arranjos com conexões por barramentos são utilizados principalmente em subestações até 230 kV e aqueles com conexões por disjuntores em subestações de 345 kV e acima. As considerações que se farão a seguir sobre os diversos arranjos são qualitativas e como tal têm uma parcela de subjetividade. A filosofia de projeto, operação e manutenção de cada empresa concessionária poderão resultar eventualmente em preferências para este ou outro arranjo, porém, acreditamos que a essência, à luz dos critérios estabelecidos não se alterará. Pode-se afirmar que não existe um método quantitativo que por si só possa indicar o arranjo ideal, mas a análise da confiabilidade do conjunto, com a análise qualitativa, certamente nos permitirão uma escolha mais precisa.
III.2.1 ANÁLISE QUALITATIVA
Os arranjos de barra simples (Fig. 1.1, 1.2 e 1.3) não oferecem nenhuma segurança para o sistema pois implicam na perda total da instalação para defeitos internos. Com o barramento seccionado é possível o restabelecimento parcial. Quando da manutenção das barras ou seccionadoras ligadas às barras também há perda total da instalação. Por outro lado as proteções e intertravamentos são simples.
Os arranjos com barras múltiplas (fig. 1.4, 1.5 ,1.6 e 1.7) podem oferecer maior segurança para o sistema, em função dos dispositivos de proteção adotados e da forma de operar as subestações. Quando utilizadas as chamadas proteções de barras é possível a perda de apenas parte dos circuitos e mesmo assim apenas durante o espaço de tempo necessário à transferência de barra.
Os sistemas de proteção são em conseqüência mais complexos, bem como os intertravamentos. As condições oferecidas para manutenção, entretanto são bastante superiores especialmente quando se dispõe de barra de transferência ou seccionador de "by-pass". Também as possibilidades de distribuição das cargas e limitação de curtocircuito são muito boas. Os arranjos em anel simples (fig.2.1 e 2.2) são superiores aos arranjos com barra simples e têm algumas vantagens sobre os arranjos com barra dupla.
Nos arranjos em anel é possível a manutenção de qualquer disjuntor sem perda de circuitos e a falta na barra causa a perda de apenas um circuito. Entretanto, com um disjuntor fora de serviço, o anel é aberto e a saída de qualquer novo circuito implica na separação do anel em duas partes o que pode-resultar em problemas para atendimento da carga ou a estabilidade do sistema. Assim os arranjos em anel são limitados aos casos onde se tem o mesmo número de entrada e saídas e as mesmas podem ser dispostas alternadamente. Outra desvantagem corresponde à capacidade nominal dos aparelhos do barramento que devem ser todas iguais à máxima corrente que pode circular na barra. O arranjo em anel duplo ou modificado (fig.2.3) elimina algumas das desvantagens do anel simples, porém passa a ser necessário o desligamento de 3 (três) disjuntores, na maioria dos casos para eliminação de falta em circuito, o que aumenta a probabilidade de insucesso.
Os arranjos tipo disjuntor duplo e barra dupla, disjuntor e meio e disjuntor.e um terço (fig. 2.4, 2.5 e 2.6) são arranjos que oferecem a maior segurança, na ordem em que foram apresentados. De forma geral combinam as vantagens dos arranjos em anel com a dos arranjos com dupla barra. Sob alguns aspectos o arranjo disjuntor e meio pode ser superior ao arranjo disjuntor duplo e barra dupla particularmente quando o número de circuitos é elevado. A proteção do disjuntor e meio é porém mais complexa que a do disjuntor duplo. Eventualmente problemas podem também existir com as capacidades nominais dos equipamentos.
Na tabela 1 apresentamos uma comparação entre os arranjos mais significativos. Nesta comparação são consideradas as melhores possibilidades de cada arranjo. Evidentemente para cada arranjo básico existem variantes que podem alterar um pouco as condições de segurança, flexibilidade, etc. Estas variantes são obtidas com diferentes tipos ou quantidades de equipamentos, complexidade da proteção e também dos arranjos físicos. A complexidade da proteção está ligada essencialmente aos sistemas de proteção contra faltas nos barramentos ou aos casos onde existam disjuntores que pertencem a mais de um circuito.
III.2.2 CONFIABILIDADE Não se pretende aqui esgotar o assunto confiabilidade aplicada a arranjos de barramentos, pois o mesmo é extenso, e principalmente porque a confiabilidade sozinha não é capaz de resolver o problema de escolha de arranjo. O que se pretende é orientar sobre a aplicação da confiabilidade na escolha de arranjos, indicando alguns aspectos que consideramos importantes. A confiabilidade de uma subestação pode ser definida como a probabilidade dela atender seus propósitos por um intervalo de tempo definido sob condições de operação definidas. Dois aspectos desta definição devem ser salientados, o atendimento dos propósitos e as condições de operação. O primeiro significa investigar detalhadamente as formas de falha dos componentes ou do conjunto uma vez que falha pode não se traduzir numa interrupção no fornecimento, mas apenas em tensão não satisfatória. 0 segundo leva em conta que as taxas de falha dos componentes podem variar com as condições de operação: por exemplo, em períodos de tempestades as taxas aumentam consideravelmente. Na análise dos arranjos de barramentos os componentes serão os disjuntores, seccionadoras, barramentos, etc., e as condições de operação serão as normais admitindo-se também que nenhum componente tenha atingido o fim de sua vida útil. Serão necessárias também as taxas de falha e de reparação dos diversos componentes, e normalmente são consideradas constantes uma vez que se admite a existência de manutenção preventiva. Será necessária, então a escolha de um modelo matemático e de método adequado para avaliar o modelo matemático.
É importante que se tenha em vista a redundância existente no arranjo para evitar conclusões errôneas. Para exemplificar apresentaremos alguns dados extraídos de um trabalho apresentado no SC 23 da CIGRÉ. Nestes casos não foram consideradas reparações ou manutenções e considerou-se apenas o suprimento de energia ao consumidor. Exclui-se também o transformador visto que, pela sua relativa alta taxa de falha e independente do arranjo, ele poderia alterar os resultados. As taxas de falhas adotadas foram respectivamente:
Barramentos A, B
0.9/100 anos
Seccionadoras K
0.5/100 anos
Disjuntor S
3.5/100 anos
A figura 3 mostra os arranjos considerados e os respectivos diagramas de blocos. Os resultados para a situação após 5 anos de serviços, calculados utilizando programa computacional são apresentados no quadro abaixo.
Arranjo Barra simples fig. 3.1 Barra dupla fig. 3.2 Anel fig. 3.3 Disjuntor e meio fig.3.4
Confiabilidade R 0,77 0,83 0,92 0,941
Taxa de Falha 1/100anos 4,99 3,57 1,44 1,16
Os cálculos de confiabilidade permitem notar que em alguns casos a maior quantidade de equipamentos, a longo prazo pode representar uma menor confiabilidade de um determinado arranjo. Os cálculos de confiabilidade permitem também avaliar a influência de taxa de falha dos equipamentos sobre o conjunto. A maior dificuldade para realização dos cálculos de confiabilidade está nos dados estatísticos necessários ou números de falhas ocorridas, tempos de indisponibilidade, tempo de reparação, tempos de manutenção, etc. Estes deverão ser muito bem definidos e dependerão de cada empresa, seus hábitos. O uso de dados de outros, regra geral levará a resultados não satisfatórios.
