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XXI SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Versão 1.0 23 a 26 de Outubro de 2011

Florianópolis - SC

GRUPO -GSE

GRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAÇÕES E EQUIPAMENTOS DE AL TA TENSÃO -GSE

DESAFIOS PARA O PROJETO DE UMA SUBESTAÇÃO DE 4800 M VA DE POTÊNCIA INSTALADA E 63 KA DE CORRENTE DE CURTO-CIRCUITO NO SETOR 230 KV

Fabio Nepomuceno Fraga(*) Walter José Rodri gues Helon D. M. Braz Gustavo H. S. Vieira d e Melo Chesf Chesf C hesf Chesf

RESUMO O presente trabalho apresentará os desafios e dificuldades do desenvolvimento de um projeto para a implantação da subestação de 500/230 kV de Camaçari IV com previsão de 4800 MVA de potência instalada e com um nível de curto circuito de 63 kA no setor de 230 kV. A definição dos barramentos e arranjo físico a serem utilizados no setor 230 kV da subestação impõe a necessidade de estudos especiais para viabilizar técnica e economicamente a implantação da instalação. Estas características associadas às dificuldades e análises necessárias, em um ambiente extremamente competitivo, mostram os grandes desafios para o projeto e construção de grandes instalações no sistema interligado nacional. PALAVRAS-CHAVE Subestações, Projeto Básico, Dimensionamento de Barramentos, Curto-circuito, Fluxo de Carga.

1.0 - INTRODUÇÃO

A Subestação de Camaçari IV será implantada na região do pólo industrial de Camaçari no estado da Bahia e seus desafios de projeto já se apresentam desde o momento inicial, uma vez que o empreendimento é fruto de uma disputa através de um processo de leilão promovido pela ANEEL. O nível de curto-circuito de 63 kA para o setor de 230 kV e a previsão de 4800 MVA de potência instalada torna o projeto do setor de 230 kV um projeto complexo e com grau de dificuldade elevado para implantação. Estes níveis de potencia instalada e curto-circuito são resultado da grande quantidade de geração térmica já prevista para a região, resultante dos Leilões de Energia Nova – LEN A-3 e A-5 de 2008 totalizando mais de 1100 MVA. Tais circunstâncias posicionam esta subestação como a maior instalação do Nordeste e uma das maiores do Brasil em 230 kV, com a particularidade de ser a única com estas características.

2.0 - ARRANJO FÍSICO DO PÁTIO DE 230 KV

O arranjo de barramento do setor 230 kV da Subestação de Camaçari IV será do tipo barra dupla, com esquema de manobra empregando disjuntor simples e quatro chaves por célula, com exceção da célula de interligação de barras que emprega disjuntor simples e duas chaves. Apresenta os seguintes eventos:

� 1 (uma) célula de interligação de barras, para implantação imediata; � 2 (duas) células de conexão de banco de autotransformador de 1200 MVA, 500-230-13,8 kV, sendo 6

unidades monofásicas de 400 MVA + 1 unidade reserva de 400 MVA, para implantação imediata; � 2 (duas) células de conexão de banco de autotransformador de 1200 MVA, 500-230-13,8 kV, sendo 6

unidades monofásicas de 400 MVA + 1 unidade reserva de 400 MVA, para implantação futura;

2

� 12 (doze) células de entradas de linhas 230 kV, para implantação futura;

O nível de curto-circuito de 63 kA para o setor de 230 kV requer que os principais equipamentos do circuito de corrente (disjuntores, chaves secionadoras e transformadores de corrente) sejam equipamentos especiais, pois os fabricantes não possuem equipamentos na classe de tensão 245 kV com este nível de corrente de curto-circuito. Assim, se faz necessário adotar equipamentos da classe de tensão 365 kV que apresentam dimensional bastante diferente, conforme apresentado na Figura 1. Por conta destes fatores, não é possível seguir nenhum padrão já definido no sistema Chesf para instalações com setor de 230 kV.

Figura 1 - Disjuntores 230 kV

A partir do padrão Chesf foram realizadas algumas modificações no arranjo eletromecânico e acomodado os novos equipamentos e desenvolvido um arranjo utilizado cabo de alumínio e outro arranjo utilizando barramento rígido (tubo de alumínio). A Figura 2 mostra um trecho de um corte com o arranjo padrão com condutor flexível e o mesmo trecho com os novos equipamentos.

Figura 2 – Corte Arranjo Padrão / Padrão Camaçari I V

A definição dos barramentos e arranjo físico a serem utilizados no setor 230 kV da subestação impõe a necessidade de estudos especiais para viabilizar técnica e economicamente a implantação da instalação. Inicialmente, os valores de corrente nominal (superiores a 4500 A) e esforços nas estruturas dos barramentos (superiores a 8000 kgf/fase), obrigaram a desenvolvermos uma estratégia não convencional para o dimensionamento da instalação e determinação do arranjo.

3

3.0 - ESTUDOS DE FLUXO DE CARGA

Os estudos de fluxo de carga em barramento têm por objetivo identificar as maiores solicitações submetidas aos barramentos das subestações, verificando, para barramentos já existentes, se há esgotamento dos mesmos por sobrecarga ou avaliando sua adequabilidade. Para novos empreendimentos estes estudos visam subsidiar o dimensionamento dos cabos que comporão o futuro barramento, informando a expectativa de carregamento máximo do mesmo.

3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

O conjunto de 12 usinas térmicas, vencedoras dos LEN A-3 e A-5 de 2008, inicialmente previstas para se conectarem em diversas subestações dos estados da Bahia e de Sergipe formarão um cluster na região de Aratu-BA, onde uma das alternativas de conexão definitiva prevê 10 usinas conectadas ao barramento de 230 kV da futura SE Camaçari IV e 2 usinas conectadas ao barramento de 230 kV da SE Catu.

3.2 DESEMPENHO DO BARRAMENTO

Ao considerar 10 usinas termoelétricas conectadas ao barramento de 230 kV da futura SE Camaçari IV, utilizando sua configuração de referência, foram observadas correntes superiores a 4500 A, causando a superação do barramento por corrente nominal. A Figura 3 apresenta os fluxos de potência calculados para o barramento da SE Camaçari durante a pior contingência no que se refere às solicitações de corrente ao barramento. Ressalta-se que o referido barramento, nesta configuração, encontra-se superado já em condição normal de operação.

ARAT4 ARAT3 ARAT2 ARAT1 POL #1 POL #2 JAC #2 JAC #1 CTG PTU

895.7 895.7 1391.4 1343.6 273.9 234.7 203.2 203.2 619.4 726.0

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ ↑ ↑

897.6 1793.3 3030.4 4235.3 4496.6 4722.0 4526.6 2835.8 2219.1

→ → → → → → → → →

↓ ↓ ↓ ↓

1498.6 1498.6

142.8 143.5 AT #2 AT #1

CTU #1 CTU #2

EMERGÊNCIA LT 04M3 CATU / GOVERNADOR MANGABEIRA - ALTERNATIVA 230 kV (NORTE EXPORTADOR)

Figura 3 - Distribuição de corrente, em Ampére, Emergência LT Catu - Gov. Mangabeira, configuração referência

3.3 REALOCAÇÃO DAS ENTRADAS DE LINHA EM CAMAÇARI IV

De modo a viabilizar a conexão das referidas usinas ao barramento 230 kV, sugerem-se realocar as entradas de linha das usinas térmicas oriundas de Aratu de forma a promover redução das correntes no barramento. Dentre as alternativas de realocação estudadas a que se mostrou mais eficiente no sentido de diminuir as solicitações de corrente ao longo do barramento de 230 kV da SE Camaçari IV, consiste em permutar as entradas de linha de Cotegipe e Pituaçu pelas entradas de linha Aratu 1 e Aratu 2, conforme sugerido pela Figura 4. Com essa medida a corrente máxima no barramento, em condição normal, passou de 4.500 A para 1.790 A. A Figura 5 apresenta o fluxo de potência no barramento de Camaçari IV para a condição mais severa do ponto de vista de carregamento no barramento, que nesta nova configuração é a contingência do autotransformador AT#1. Note que a máxima corrente esperada nesta configuração é 2.719 A, valor inferior à capacidade nominal do condutor considerado.

4

ARAT4 ARAT3 CTG PTU POL #1 POL #2 JAC #2 JAC #1 ARAT2 ARAT1

AT #2 AT #1

CTU #1 CTU #2 Figura 4 - Realocação sugerida: permuta entre as ELs da Aratu 1 e Aratu 2 pelas ELs de Cotegipe e Pituaçu

ARAT4 ARAT3 CTG PTU POL #1 POL #2 JAC #2 JAC #1 ARAT2 ARAT1

894.8 894.8 731.8 845.2 268.3 229.9 254.0 254.0 1387.2 1341.8

↓ ↓ ↑ ↑ ↓ ↓ ↑ ↑ ↓ ↓

894.9 1789.7 760.3 453.3 188.9 69.9 191.4 2719.7 1341.8

→ → → ← ← → ← ← ←

↓ ↓ ↓ ↑

2278.9 0.0

311.9 313.5 AT #2 AT #1

CTU #1 CTU #2

EMERGÊNCIA DO AT #1 Camaçari IV - ALTERNATIVA 230 kV (NORTE EXPORTADOR)

Figura 5 - Distribuição de corrente, em Ampére, Emergência AT#1, configuração proposta

3.3 ANÁLISE DA CONDIÇÃO LIMITE DO BARRAMENTO NA NOVA CONFIGURAÇÃO

Nesta análise considerou-se o acréscimo de geração em blocos de 176 MW de modo que o barramento atinja, no máximo, carregamento nominal em regime permanente. Utilizou-se ainda o caso de carga leve referente ao ano 2015 da EPE. Para esta condição limite ao barramento, apresentam-se, nas Figuras 6 e 7, os fluxos de potência em condição normal e contingências.

2UTE 2UTE 2UTE ARAT4 ARAT3 CTG PTU POL #1 POL #2 JAC #2 JAC #1 ARAT2 ARAT1

934.5 934.5 934.5 889.0 889.0 620.8 721.0 290.1 248.3 218.3 218.3 1390.4 1334.8

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ ↓ ↓ ↑ ↑ ↓ ↓

935.0 1869.4 2803.9 3275.4 3759.2 1998.4 1397.1 794.0 708.1 583.1 1501.4 152.9

→ → → → → → → → → → ← ←

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

1253.4 1253.4 1253.4 1253.4

361.0 363.0 AT #4 AT #3 AT #2 AT #1

CTU #1 CTU #2

Condição Normal - ALTERNATIVA 230 kV Realocação 2 (CONDIÇÃO LIMITE)

Figura 6 - Distribuição de corrente, em Ampére, condição normal

5

2UTE 2UTE 2UTE ARAT4 ARAT3 CTG PTU POL #1 POL #2 JAC #2 JAC #1 ARAT2 ARAT1

936.4 936.4 936.4 888.8 888.8 636.6 735.7 289.6 247.8 223.5 223.5 1389.7 1334.5

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ ↓ ↓ ↑ ↑ ↓ ↓

936.3 1872.6 2809.0 3373.2 3965.0 2118.7 1473.8 752.4 706.7 551.8 1447.6 114.4

→ → → → → → → → → → ← ←

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

1301.9 1301.9 1301.9 1301.9

250.3 251.7 AT #4 AT #3 AT #2 AT #1

CTU #1 CTU #2

EMERGÊNCIA LT CTU-GVM - ALTERNATIVA 230 kV Realocação 2 (CONDIÇÃO LIMITE)

Figura 7 - Distribuição de corrente, em Ampére, pior emergência

As Figuras 6 e 7 apresentam o fluxo de potência no barramento de Camaçari IV para a condição normal e mais severa do ponto de vista de carregamento no barramento Neste Casso a máxima corrente esperada nesta configuração é de 3965, valor inferior à capacidade nominal do condutor considerado.

4.0 - ESTUDOS DE CURTO-CIRCUITO

Complementando as análises de fluxo de carga, foi realizada uma modelagem detalhada de todo o setor de 230 kV da subestação a fim de executar estudos de curto-circuito internos aos barramentos da instalação. Tais estudos foram levados a efeito com o objetivo de determinar com exatidão as maiores correntes admissíveis em cada trecho do barramento, assumindo a subestação em sua condição limite com relação ao nível de curto-circuito. Foi considerada a configuração final prevista para a subestação, com quatro autotransformadores 500-230-13.8 kV e todas as usinas previstas para a região representadas, bem como, as linhas de transmissão indicadas no PDEE 2019. O barramento de 230 kV foi representado por meio de dez trechos, numerados de 0 até 9 e alocados conforme indicações do projeto da subestação. Esse arranjo implica em nove segmentos de barramento, como ilustrado na Figura 8.

Figura 8 - Distribuição de corrente, em Ampére, pior emergência

No sentido de elevar o nível de curto-circuito total no setor de 230 kV ao limite estabelecido no edital do empreendimento, foi incluída uma geração adicional. Porém, como não se sabe o local desse eventual incremento de geração, considerou-se sua conexão em cada uma das entradas de linha disponíveis, resultando em dez configurações limite candidatas. Todas com curto-circuito total no nível de 230 kV de 63 kA para 1,05 pu de tensão. Para cada uma das configurações limite levantadas, foram simulados curtos-circuitos trifásico e monofásico franco ocorrendo nas entradas de linha de 0 até 9. Desse modo, foi possível obter a máxima corrente admissível por segmento de barramento para cada uma das configurações limite estudadas. Apresentam-se na Tabela 1 os

6

resultados obtidos nestas simulações, destacando na última linha o maior valor observado por segmento ao considerar todas as configurações. Tabela 1 – Correntes em kA por segmento de barramento para dez configurações limite representadas: Pior caso

observado para curto-circuito em 230 kV trifásico e monofásico com 4 autotransformadores.

Segmentos de Barramento

0 --- 1 1 --- 2 2 --- 3 3 --- 4 4 --- 5 5 --- 6 6 --- 7 7 --- 8 8 --- 9

Con

figur

açõe

s Li

mite

0 47.24 41.56 33.61 31.74 33.30 40.54 42.07 49.58 55.77

1 51.19 41.55 33.60 31.76 33.32 40.55 42.08 49.59 55.78

2 51.14 45.49 33.60 31.78 33.34 40.57 42.10 49.60 55.79

3 51.11 45.46 37.54 31.81 33.37 40.60 42.13 49.63 55.81

4 51.08 45.43 37.50 35.08 33.40 40.63 42.16 49.65 55.84

5 51.05 45.40 37.47 35.05 33.46 40.66 42.19 49.68 55.86

6 51.03 45.37 37.45 35.02 33.43 36.71 42.23 49.71 55.89

7 51.02 45.35 37.42 35.00 33.41 36.72 38.28 49.74 55.92

8 51.00 45.34 37.41 34.98 33.40 36.72 38.28 45.79 55.96 9 51.00 45.33 37.40 34.98 33.39 36.72 38.28 45.79 52.01

Máximo 51.19 45.49 37.54 35.08 33.46 40.66 42.23 49.74 55.96 Além da configuração final prevista para a subestação, algumas configurações alternativas foram simuladas, em que supõe-se um autotransformador ou uma linha de transmissão ausente. Dentre estas simulações, destaca-se a configuração em que o 4° autotransformador estaria fora de operação. O procedimento adotado para simular a configuração com três autotransformadores foi o mesmo utilizado anteriormente, sendo as correntes máximas em cada segmento de barramento apresentadas na Tabela 2. Ocorre um acréscimo na corrente máxima admissível dos segmentos 3 --- 4, 4 --- 5, 5 --- 6 e 6 --- 7, com um correspondente alívio nas correntes máximas nos demais segmentos.

Tabela 2 – Correntes em kA por segmento de barramento para dez configurações limite representadas: Pior caso observado para curto-circuito em 230 kV trifásico e monofásico com 3 autotransformadores.

Segmentos de Barramento

0 --- 1 1 --- 2 2 --- 3 3 --- 4 4 --- 5 5 --- 6 6 --- 7 7 --- 8 8 --- 9

Con

figur

açõe

s Li

mite

0 44.65 38.92 32.92 35.44 37.02 45.36 47.05 49.13 55.38

1 50.14 38.92 32.94 35.47 37.04 45.37 47.07 49.15 55.39

2 50.09 44.41 32.98 35.50 37.07 45.40 47.10 49.17 55.42

3 50.05 44.36 35.37 35.54 37.11 45.44 47.13 49.21 55.45

4 50.01 44.32 35.32 32.80 37.16 45.48 47.17 49.24 55.49

5 49.98 44.29 35.28 32.76 31.66 45.52 47.21 49.28 55.52

6 49.95 44.26 35.26 32.73 31.67 40.02 47.27 49.33 55.57

7 49.93 44.24 35.23 32.71 31.67 40.02 41.76 49.39 55.62

8 49.91 44.22 35.21 32.69 31.67 40.03 41.76 43.88 55.68 9 49.90 44.21 35.20 32.68 31.68 40.03 41.77 43.88 50.16

Máximo 50.14 44.41 35.37 35.54 37.16 45.52 47.27 49.39 55.68 As correntes efetivamente adotadas para o dimensionamento do barramento do setor de 230 kV foram então obtidas considerando o pior caso verificado nas condições simuladas. Isto é, mesmo com um curto-circuito total no nível de 230 kV da subestação da ordem de 63 kA, as simulações apontaram uma corrente máxima no barramento da ordem de 56 kA.

5.0 - DIMENSIONAMENTO DO BARRAMENTO DO SETOR DE 230 KV

Os estudos de fluxo de carga com o reposicionamento de entradas de linhas (maior equilibrio geração/carga) e os estudos de curto-circuito detalhados em cada trecho do barramento apresentados nos itens anteriores determinaram duas opções como factíveis: uma com barramento rígido e outra com barramento flexível.

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5.1 Dimensionamento Elétrico (ampacidade)

O estudo de fluxo de carga subsidiou o dimensionamento dos condutores dos barramentos principais e transversais da instalação, tendo sido estudadas opções com barramentos rígidos (tubos) e com barramentos flexíveis (cabos de alumínio e cabos de alumínio termorresistentes). Os estudos apresentaram uma máxima corrente (durante contingência) no valor de 4500 A. Com esta corrente máxima e com os 63 kA de corrente de curto-circuito as seguintes opções de condutores foram determinadas:

Tabela 1 – Determinação dos Condutores do Barramento 230 kV

Condutor Capacidade de Condução

Tubo 160x8 mm 4630 A (850C) 3 Cabos CA 2000 MCM

(Cowslip) 4560 A (750C)

2 Cabos T-CA 2250 MCM (T- SAGEBRUSCH)(1) 4806 A (1500C)

Os estudos apontaram que a opção com três cabos CA apresenta-se economicamente inviável e com grande complexidade técnica de execução. Sendo assim, a opção com cabos de alumínio termorresistentes (T-CA) foi determinada como a melhor opção técnico/econômica no caso de cabo flexível.

5.2 Dimensionamento Mecânico

Para elaboração dos estudos mecânicos foram seguidos os procedimentos descritos conforme IEC 60865-1 (3) para determinação dos esforços nas estruturas dos barramentos rígidos e flexíveis durante um curto-circuito. Inicialmente foram realizados estudos envolvendo o tubo de alumínio 160x8 mm, entretanto os valores de esforços determinados nos isoladores de pedestal tornaram o projeto com tubos muito complexo uma vez que esforços da ordem de 40 kN em vários trechos dos barramentos obrigava o desenvolvimento de isoladores de pedestais especiais ou utilização de três ou mais isoladores combinados em cada ponto de apoio dos tubos. O desenvolvimento de isoladores de pedestais especiais ou a utilização de três ou mais isoladores convencionais mostrava-se também economicamente inviável. Com a utilização de tubos técnica e economicamente inviável foram calculados os esforços utilizados os cabos T-CA 2250 MCM (T- SAGEBRUSCH) para verificação dos esforços nas estruturas e pórticos do setor de 230 kV da subestação. Utilizando os valores de corrente conforme a estratégia determinada no item 4 foram determinados os esforços dinâmicos nas estruturas conforme apresentado na Figura 9.

Figura 9 – Esforços Dinâmicos – Barramento 230 kV de Camaçari IV

Os esforços apresentados, mesmo após todas as estratégias desenvolvidas, apresentavam-se, em alguns trechos do barramento, três vezes superiores aos valores normalmente utilizados nos projetos estruturais para instalações 230 kV. Com os esforços determinados foi necessário o desenvolvimento de um novo padrão estrutural, em concreto, para construção dos barramentos de 230 kV da subestação de Camaçari IV. A Figura 10 mostra o padrão estrutural da Chesf e o novo padrão desenvolvido para as colunas dos pórticos da subestação.

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Figura 10 - Colunas dos Pórticos da Subestação

6.0 - CONCLUSÃO

Conforme apresentado durante o desenvolvimento do trabalho, grandes instalações demandam estudos especiais e soluções não convencionais. A grande potência instalada e o elevado nível de curto-circuito imposto a instalação da subestação de Camaçari IV foram características críticas para o desenvolvimento do projeto. Todos estes fatores e dificuldades apresentados e as diversas análises necessárias, em um ambiente extremamente competitivo como se apresentam os leilões de transmissão da ANEEL, mostram os grandes desafios para o projeto e construção de grandes instalações no sistema interligado nacional.

7.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

(1) Fraga, F. N.; Nascimento, B. A.; Veloso, R.L.S. “Cabos Termorresistentes: Uma Alternativa para Otimização e Modernização de Barramentos de Subestações”, XX SNPTEE, Recife, PE, 2009; (2) Fraga, F. N.; Nascimento, B. A.; Veloso, R.L.S.; Melo, R.O.; Godoy, A.V. “Thermal-resistant aluminium-alloy conductor: an alternative for bus uprating of substations”, CIGRE Session 43, Paris, França, 2010; (3) International Electrotechnical Commission. IEC 60865-1: Short-circuit currents - Calculation of effects - Part 1 - Definitions and calculation methods, 1993; (4) International Electrotechnical Commission. IEC 60865-1: Short-circuit currents - Calculation of effects - Part 2 - Examples of calculation, 1994.