CARLOS HENIRIQUE OTONI FERRERFREDERIQUE AUGUSTO LISBOA

PROJETO DE PROTEÇÃO DE TRANSFORMADOR ELEVADOR DA USINA HIDRELÉTRICA DE JIRAU

Brasília – DF

2014

PROJETO DE PROTEÇÃO DO TRANSFORMADOR ELEVADOR DA USINA HIDRELÉTRICA DE JIRAU

Carlos Henrique Otoni FerrerFrederique Augusto Lisboa

Artigo apresentado ao final do curso, como parte dos requisitos para obtenção do título de Pós-Graduação em Engenharia de Energia, pela RTG.

Orientador: Profª. Alline Braga Guimarães

Aprovado em XX/04/2014

BANCA EXAMINADORA

____________________________________

PROF. ESPEC. ALLINE BRAGA GUIMARÃES.

RESUMO

A proteção de grandes transformadores de potência é realizada pela

interação de diversos sistemas eletromecânicos com o sistema elétrico de

proteção. A complexidade destes sistemas é diretamente proporcional ao custo do

equipamento que se deseja proteger.

A comunicação eficiente destes sistemas entre si é primordial, de forma a

garantir a integridade do transformador, equipamentos relacionados, ao sistema

elétrico nacional e, principalmente, às pessoas que atuam no local.

Este trabalho se propõe a apresentar a solução dada para a Usina

Hidrelétrica de Jirau que se localiza no Rio Madeira, estado de Rondônia na região

Norte do Brasil.

Palavras-Chave: Transformador, Hidrelétrica, Proteção, Sistema de Potência, Jirau

ABSTRACT

The protection of large power transformers is accomplished by the

interaction of various electromechanical systems with the electrical protection

system. The complexity of these systems is directly proportional to the value of the

equipment that you want to protect.

The efficient communication of these systems among themselves is

paramount, so as to ensure the integrity of the transformer, related equipment, the

national electrical system and, especially, the people who work on site.

This work proposes to introduce the solution given to the Hydroelectric

Plant of Jirau which is located on the Madeira River, state of Rondonia in the

Northern region of Brazil.

Keywords: Transformer, Hydroelectric, Protection, Power Systems, Jirau

1.

6

2. INTRODUÇÃO

A Usina Hidrelétrica de JIRAU é composta por duas Casas de Força, duas

Subestações Elevadoras do tipo GIS (S1 e S2) independentes fisicamente uma

da outra e um Vertedouro (VT). Ela se localiza no Rio Madeira, estado de

Rondônia na região Norte do Brasil com potência instalada de 3750MW.

Cada Casa de Força conta com Unidades Geradoras (UG's), Subestação

Abrigada com isolação a SF6 e Transformadores Elevadores (TE's). Existem

um total de 50 UG's do tipo bulbo, cada uma com 83,34 MVA de potência

nominal, 28 destas localizadas na C1 e 22 na na C2 (PORTAL ENERGIA

SUSTENTÁVEL DO BRASIL, 2014). Estas máquinas estão ligadas por

barramento blindado, numa tensão de 13,8 kV, aos transformadores

elevadores. Na C1 temos 7 Transformador Elevador e na C2 6, todos eles

sendo de 340MVA-525kV, em estrela aterrado no secundário e dois

enrolamentos primários de 170MVA-13.8kV, em delta.

Para controle da vazão do rio, está localizado entre as duas casas de força, o

Vertedouro, composto por 18 comportas do tipo Segmento com 1(uma) central

hidráulicas para cada duas comportas e demais equipamentos.

Em cada uma das casas de forças foi observado o seguinte arranjo para as

unidades:

4 máquinas conectadas cada, duas a duas, através de seus

disjuntores, a um barramento de geração em 13.8kV sendo que

na casa de força da Casa de Força 2 teremos um arranjo

diferente em função no número de máquinas, ou seja, 5

unidades transformadoras com 4 máquinas e uma unidade

transformadora com 2 máquinas.

Os 2 barramentos de geração terão cada um uma derivação

para alimentação dos serviços auxiliares das unidades a eles

ligados e estão conectados através de um barramento blindado

aos enrolamentos primário do Transformador Elevador.

Todo o conjunto 4 (quatro) Máquinas, 1(um) Transformador e 2 (duas)

alimentações para os Serviços Auxiliares das unidades em questão foi

denominado “Unidade Transformadora”, com isto cada casa de força é formada

por um numero de “Unidades Transformadoras” assim constituídas:

7

7 (sete) Unidades Transformadoras na Casa de Força 1;

6 (seis) Unidades Transformadoras na Casa de Força 2.

O lado de 525kV de cada uma destas Unidades Transformadoras está

conectado, através de um disjuntor e suas respectivas seccionadoras, a uma

subestação abrigada, do tipo SF6.

As Subestações, Casa de Força 1 e Casa de Força 2, são interligadas através

de uma linha curta aérea, LT4 na Casade Força 1 e LT5 na Casa de Força 2. A

transmissão é realizada por 3 Linhas de Transmissão de 550 kV que estarão

conectadas a subestação Coletora em Porto Velho (LT1, LT2 e LT3), sendo a

LT1 e LT2 na Casa de Força 1 e a LT3 na Casa de Força 2.

As Usinas e o seu Vertedouro, juntos serão supervisionados e controlados

remotamente a partir da Sala de Controle Central localizada no Edifício de

Supervisão, Casa de Força 1.

O propósito deste texto é realizar um estudo básico da cadeia de proteção de

uma unidade transformadora deste empreendimento referência no cenário da

engenharia.do Brasil.

3. O TRANSFORMADOR

DADOS TÉCNICOS PRINCIPAIS:

TIPO DO EQUIPAMENTO

o Transformador Trifásico

o Transformador Elevador

RELAÇÃO DE TENSÃO

o Alta tensão (H): 525 kV +/- 2x12,5 kV (CDST)

o Baixa tensão (X): 13,8 kV

o Baixa tensão (X’): 13,8 kV

GRUPO DE LIGAÇÃO (EQUIPAMENTO/BANCO)

o Polaridade subtrativa / YN d1 d1

o AT: Estrela com neutro solidamente aterrado

o BTx: Triangulo

o BTx’: Triangulo

POTÊNCIA

Potência nominal [MVA] ONAN ONAF1 ONAF2

Alta tensão (H) 258 298 340

8

Baixa tensão (X) 129 149 170

Baixa tensão (X’) 129 149 170

SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO E ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA

Elevação de temperatura [°

C]ONAN ONAF1 ONAF2

Óleo máximo (top oil) 55 55 55

Enrolam. médio 55 55 55

Enrolam. máximo (hot spot) 65 65 65

NÍVEL DE ISOLAÇÃO

Nível de isolação [kV]Terminal

H H0 X X’

Impulso atmosféricoOnda plena 1550 110 110 110

Onda cortada 1705 - 121 121

Impulso de manobra 1175 - - -

Freqüência industrial (1min/1h) 550/477 - - -

Tensão aplicada 34 34 34 34

IMPEDÂNCIA

Potência base [MVA] Tensão base [kV]Impedância em 75 °C [%]

Calculado Garantido

170 525/13,8 (BTx) 15,9 16,0 ± 10%

170 525/13,8 (BTx’) 16,1 16,0 ± 10%

PERDAS

Potência base [MVA] Tensão base [kV]

Perdas totais em 75 °C [kW]

Em vazio Em carga

Calc. Gar. Calc. Gar.

340 525/13,8-13,8 160 167 876 885

9

Para a proteção dos TE's existem quatro sistemas: Sistema de Proteção

(Elétrica), Sistema de Água Nebulizada, Sistema de Hidrantes e o Sistema

Preventivo Anti-Explosão.

10

3. SISTEMA DE PROTEÇÃO ELÉTRICA

A zona de proteção deste sistema compreende o transformador elevador, os

barramentos blindado das duas barras de geração de 13,8kV inclusive os vãos

de saída para os serviços auxiliares, o trecho de conexão da subestação 525kV

em SF6 com o trafo elevador (ver Figura 1).

Figura 1 - Descrição da proteção do transformador

11

3.1PROTEÇÃO DIFERENCIAL DA UNIDADE (87T)

O método mais comum de proteção do transformador utiliza o relé diferencial

como a proteção primária, ao passo que tempos muito curtos de eliminação da

falha vem sendo exigidos pelas normas atuais além de serem recomendados

pelos fabricantes dos transformadores de potência (ANDERSON, 1926, p.690).

A proteção diferencial deve proteger o transformador apenas para faltas que

estejam dentro da zona de proteção do equipamento. Faltas fora da zona de

proteção não devem causar atuação da proteção diferencial.

Este tipo de proteção é apropriada para detectar curtos-circuitos monofásicos,

bifásicos e trifásicos na área protegida. Estabilizada para qualquer curto -

circuito fora da área protegida. Possui restrição por componente harmônica,

assegurando insensibilidade de operação para correntes transitórias de

magnetização do transformador elevador. A proteção é provida de sinalização

de operação por fase. Tempo de operação menor do que 30 milissegundos

para uma corrente igual a duas vezes de ajuste (BLACKBURN, p. 281).

No caso da cadeia de proteção do empreendimento AHE Jirau, a função 87TE

do relé de proteção principal aquisita corrente dos elementos da barra 1

(Derivação para o serviço auxiliar 1, Gerador 1 e Gerador 2), corrente do TC de

bucha do transformador (enrolamento da barra 2) e do TC de pedestal do lado

de alta, fazendo com que sua zona de proteção cubra o transformador elevador

e a barra de geração 1. Já a função 87TE do relé de proteção alternada

aquisita corrente dos elementos da barra 2 (Derivação para o serviço auxiliar 2,

Gerador 3 e Gerador 4), corrente do TC de bucha do transformador (do

enrolamento da barra 1) e do TC de pedestal do lado de alta, fazendo com que

sua zona de proteção cubra o transformador elevador e a barra de geração 2.

Na energização ou magnetização de um transformador de potência a corrente

transitória de magnetização máxima (inrush) pode atingir valores de 8 a 12

vezes a corrente nominal. Vale ressaltar, entretanto, que no caso do

empreendimento em estudo por se tratar de um transformador elevador

acoplado a um gerador síncrono, a corrente de inrush não é considerada ao

passo que a energização do transformador é feita de modo gradual

(KINDERMANN, 2006, p. 135).

12

3.2PROTEÇÃO DIFERENCIAL CONTRA FALTA À TERRA

RESTRITA NO TRANSFORMADOR ELEVADOR (FUNÇÃO 87NT)

Esta é a proteção contra faltas à terra no enrolamento de alta tensão do

transformador elevador. Opera por comparação da soma das correntes de fase

com a corrente residual medida no neutro do transformador elevador. É

alimentada através do TCH0, bucha de neutro do transformador elevador e dos

TCS de fase (TC’s de pedestal de 525kV), os quais definem os limites da zona

protegida com exatidão.

3.3PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTE DE FASE E NO

NEUTRO DO TRANSFORMADOR ELEVADOR (FUNÇÃO 50/51,

50/51NT E 51GT)

Constituída basicamente por um relé monofásico de sobrecorrente com

característica de tempo normalmente inversa, com tempo de operação

ajustável e uma unidade instantânea para faltas severas, atuando como

retaguarda da proteção contra curtos-circuitos entre fase e fase à terra no

sistema elétrico de potência, assim como recomendam boa parte dos

fabricantes atuais (BLACKBURN, p. 310).

3.4PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTE DE FASE NA

DERIVAÇÃO DE SERVIÇO AUXILIAR (FUNÇÃO 51SA)

A função de proteção de sobrecorrente de fases foi selecionada para medir as

correntes de medição assinaladas na entrada M5, para fazer a proteção de

retaguarda para faltas entre fases na derivação de serviços auxiliares, proteção

51SA. Deverá atuar para faltas envolvendo fases no transformador de serviços

auxiliares como proteção de retaguarda de forma a eliminar faltas neste circuito

para contingência de falha de abertura do disjuntor de serviços auxiliares. Esta

é a função que esta na proteção principal para a derivação de número impar e

na proteção alternada para a derivação de numero par.

13

3.5PROTEÇÃO CONTRA FALTA À TERRA NO BARRAMENTO

BLINDADO (64B)

Esta função de proteção contra faltas à terra no trecho do disjuntor até o

primário transformador elevador (64B) será executada através da medição de

tensão homopolar (3V0) no enrolamento dos ytransformadores de potencial

(TPs) ligados em delta aberto, instalados no cubículo do disjuntor, do lado da

barra de geração. Sendo detectada uma falta pra terra esta proteção gerador

deverá abrir o disjuntor de serviço auxiliar (52CDGn) e dar alarme. Se após o

rearme do alarme a falta persistir o operador deverá programar a retirada da

unidade transformadora em operação.

3.6PROTEÇÃO CONTRA SOBREFLUXO NO TRANSFORMADOR

ELEVADOR (FUNÇÃO 24T)

A proteção de sobrexcitação é usada para detectar alta indução não admissível

em geradores e transformadores, especialmente em estações de energia e

transformadores da unidade. A proteção deve intervir quando um valor limite

para o objeto protegido (como exemplo o transformador da unidade) é

excedido. O transformador é colocado em risco, quando o bloco da estação de

energia é desconectado do sistema de carga total, e se o regulador de tensão

também não operar ou não operar suficientemente rápido para controlar o

aumento de tensão associada. Da mesma forma, uma diminuição na

frequência (velocidade), por exemplo, em sistemas ilhados, pode levar a um

aumento inadmissível da indução. Um aumento na indução acima do valor

nominal muito rapidamente satura o núcleo de ferro e causa grandes perdas

por correntes de Foucault. Este relé possui até quatro grupos de ajustes, tendo,

portanto, os dois grupos de ajuste solicitados, para atender o transformador

sobre carga (gerador em operação) e sem carga, energizado pelo lado de alta,

para proteger o transformador elevador contra sobrefluxo decorrente de

sobretensão, subfrequencia ou a combinação de ambas. Possui uma

característica de tempo inverso coordenada com as curvas de suportabilidade

V/Hz do transformador. A proteção atua sobre o rele de bloqueio do

transformador, 86TE, isolando a unidade transformadora.

14

3.7PROTEÇÃO DE SOBRETENSÃO (59B)

Esta função de proteção trifásica de tensão tem a finalidade de detectar

sobretensão na barra de geração. Esta condição pode ocorrer principalmente

quando a barra de geração esta energizada pelo transformador elevador. A

proteção atua sobre o rele de bloqueio do transformador, 86T, isolando a

unidade transformadora.

3.8PROTEÇÃO DE SUBTENSÃO (27B)

Proteção de subtensão, função ANSI 27, que faz medições de tensão fase/fase

(tensão trifásica) para detectar falta de tensão na barra de geração, e

disponibilizar uma saída para o controle do disjuntor de serviços auxiliares,

para ser usado no circuito de manobras deste disjuntor.

3.9PROTEÇÃO DE SOBRECORRENTE (51BG)

Proteção constituída basicamente pela função de sobrecorrente com

característica de tempo normalmente inversa, com tempo de operação

ajustável, atuando como retaguarda da proteção contra curtos - circuitos entre

fases na derivação do transformador de serviços auxiliares. Devera atuar para

faltas envolvendo fases no transformador de serviços auxiliares como proteção

de retaguarda de forma a eliminar faltas neste circuito para contingência de

falha de abertura do disjuntor de serviços auxiliares.

3.10 CIRCUITOS DO RELÉ DE BLOQUEIO (86T) E DE TRIP DA

PROTEÇÃO DO TRANSFORMADOR ELEVADOR E BARRA DE

GERACÃO.

Em cada painel de proteção dos transformadores elevadores, será instalado

um rele de bloqueio 86TE, que será acionado por atuação das proteções

abaixo relacionadas:

87T - Proteção principal e alternada;

87NT - Proteção principal e alternada;

51NT - Proteção principal e alternada;

50/62BF - Proteção unitária do disjuntor de alta do trafo;

Atuações das Proteções intrínsecas do transformador elevador,

63B, 63VS

15

24T – Proteção principal e alternada

59B – Proteção principal e alternada

64B - Proteção principal e alternada

51SA – Proteção de sobrecorrente derivação do serviço

auxiliar.

A atuação do relé 86TE desencadeará as seguintes ações: Bloqueio do

fechamento do disjuntor do transformador elevador 52TE, atuação sobre o relé

de parada parcial com rejeição de carga (86PR) das unidades geradoras

associadas a este transformador e rele 86 dos disjuntores dos serviços

auxiliares ligados as barras de geração 1 e 2.

Circuito De Alimentação E Rearme Do Relé De Bloqueio 86T

Como será um único relé 86T que será atuado pelas proteções principal,

alternada e intrínsecas de cada TE, a alimentação auxiliar do mesmo será feita

com as duas fontes em paralelo através de uma ponte de diodos;

O relé 86TE é rearmado, no modo local, através de uma botoeira iluminada, na

cor vermelha para indicação de relé atuado, instalada no Quadro de

Desligamento do Transformador (QDT) ou no modo remoto através de um

comando da Interface Homem Máquina (IHM). O rearme deste rele de bloqueio

não é permitido caso haja algum rele de bloqueio 86BF de qualquer um dos

geradores.

Os circuitos de desligamento do disjuntor do lado de alta do

transformador, disjuntor 52TE, serão feitos da seguinte forma:

Os desligamentos serão ordenados pelos relés de proteção principal (UPPT),

alternada (UPAT), dos transformadores, que atuarão diretamente sobre relés

auxiliares de TRIP ultra rápidos, os quais atuarão nas bobinas de desligamento

distintas de cada disjuntor. Esses relés auxiliares de disparo possuem

capacidade de abertura de até 15 ampares em circuito indutivo, não

precisando, portanto, de reles auxiliares de reforço de trip com contatos em

paralelo com os mesmos.

As saídas dos reles da proteção da barra de geração, funções 59B, 64B , 51BG

e 24T atuarão também sobre os reles auxiliares de TRIP ultra rápidos e sobre

16

as proteções UPPT e UPAT, de forma a garantir a abertura das unidades

geradoras através destas proteções.

As proteções intrínsecas de cada Transformador, deverão, atuar sobre relés

auxiliares ultra-rápidos, com 4 contatos simples / seco. Estes contatos serão

usados conforme a seguir:

o 1 contato para atuar numa entrada binária da proteção UPPT

para promover as ordens de desligamentos necessárias para

isolar o Transformador;

o 1 contato para atuar numa entrada binária da proteção UPAT

para promover

o as ordens de desligamentos necessárias para isolar o

Transformador;

o 1 contato para atuar numa entrada binária da UACT;

o 1 contato para atuar numa entrada binária do Registrador

Digital de Perturbações (RDP).

De forma a ter uma maior confiabilidade e segurança, as proteções internas

dos transformadores deverão ser alimentadas pelas duas fontes, bateria 1 e

bateria 2, simultaneamente, paraleladas através de pontes de diodos, que

deverão ser fornecidos nos armários dos respectivos transformadores

elevadores.

3.11 PROTEÇÃO CONTRA FALHA DE DISJUNTOR DO

TRANSFORMADOR 50/62BF

Assim como fora mostrado na seção anterior o relé de bloqueio 86TE só será

ativado a partir da atuação de alguma proteção do transformador. Com o

fechamento do contato do relé de bloqueio, a bobina de abertura será ativada com

a consequente abertura do disjuntor. Se o disjuntor falhar, insto é, não conseguir

eliminar o defeito interno no transformador, a proteção de falha do disjuntor irá

atuar.

Vale ressaltar que na proteção contra falha de disjuntor do transformador não se

pode contar com o relé de sobrecorrente 50BF ao passo que o seu ajuste não

cobre todos os tipos de defeitos no transformador como, por exemplo, pequenos

defeitos internos ao transformador não irão sensibilizar o relé de sobrecorrente

50BF (ANDERSON, 1926, p.173).

17

4. SISTEMA DE ÁGUA NEBULIZADA

O sistema de proteção e combate a incêndio por meio de água nebulizada de

alta velocidade utiliza a água como agente extintor. A extinção do incêndio é

feita pelos princípios de resfriamento e abafamento pelo vapor produzido,

emulsificação de alguns líquidos, diluição ou uma combinação destes. Estes

sistemas são utilizados para extinção de incêndio em equipamentos elétricos

imersos em óleo. No caso específico, a extinção do incêndio é feita pelo

princípio de emulsificação, obtido através da aplicação de água sob pressão. O

fator preponderante desse processo é o de induzir uma mudança física no

fluído combustível com a finalidade de transformá-lo em não inflamável,

usando-se o expediente de emulsificá-lo com água. Para obter o efeito de

emulsificação é necessário usar um spray relativamente grosso e forte para

alcançar agitação superficial.

4.1 COMPONENTES DO SISTEMA AUTOMÁTICO DE ÁGUA

NEBULIZADA DE ALTA VELOCIDADE

O sistema de água nebulizada de alta velocidade é composto por:

a) Tubulação molhada em aço carbono com acabamento preto a montante da válvula dilúvio;

b) Tubulação seca em aço carbono com acabamento galvanizado a quente a jusante da válvula dilúvio;

c) Conexões com roscas em ferro maleável com acabamento galvanizado a quente a jusante da válvula dilúvio para diâmetros de até 50 mm;

d) Conexões para solda em aço carbono com acabamento galvanizado a quente a jusante da válvula dilúvio para diâmetros a partir do diâmetro de 65 mm;

e) Conexões para solda em aço carbono com acabamento preto a montante da válvula dilúvio para diâmetros a partir do diâmetro de 65 mm;

f) Válvula dilúvio com acionamento elétro-pneumático e seus acessórios, sendo que para os transformadores elevadores terá o diâmetro de 200 mm e para os transformadores de serviços auxiliares terá o diâmetro de 100 mm;

g) Projetores de água nebulizada de alta velocidade;

18

h) Sistema de detecção por meio de sprinklers com tubulação pressurizada por meio de ar comprimido;

i) Suportes em aço carbono com acabamento galvanizado a quente;

j) Dois filtros duplex de limpeza manual para tubulação de 200 mm de diâmetro;

k) Válvulas de alívio;

l) Uma bomba elétrica principal de no mínimo 312 m³/h @ 9,0 bar para cada subsistema;

m) Uma bomba elétrica reserva de 312 m³/h @ 9,0 bar para cada subsistema;

n) Uma bomba Jockey de 1,2 m³/h @ 10,4 bar (106 mca) para cada subsistema;

o) Tanque de ar comprimido;

p) Quadro de Controle do Sistema de Água Nebulizada QCAN;

q) Quadro de Controle Local das Bombas QCLAN;

r) Caixas terminais CXTAN;

Cabe ressaltar que cada rede possui um filtro duplex de limpeza manual, uma

bomba elétrica principal, uma bomba elétrica reserva e uma bomba Jockey.

4.2 DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE ÁGUA NEBULIZADA DE ALTA

VELOCIDADE PROJETADO

O sistema de proteção e combate a incêndio por meio de água nebulizada de

alta velocidade é do tipo automático.

Cada transformador é envolvido por uma rede de anéis de tubulação seca de

aço carbono com acabamento galvanizado a quente nos quais são distribuídos

os projetores de água nebulizada de alta velocidade. A tubulação é suportada

por meios de suportes de aço fixados ao redor dos respectivos transformadores

ou por suportes tubulares (standpipes).

Essa tubulação se encontra ligada há uma válvula especial chamada de válvula

dilúvio, a qual controla o abastecimento de água. A partir da válvula dilúvio é

montada uma segunda rede que também envolve o transformador e na qual

são distribuídos os detectores de calor, os sprinklers pilotos, constituindo o

19

elemento de detonação automática do sistema. Essa segunda rede é

pressurizada por ar comprimido, e é controlada pelas caixas terminais CXTAN.

A água a ser utilizada no sistema é proveniente do próprio reservatório da

usina hidroelétrica.

Ocorrendo um princípio de incêndio no equipamento, a elevação da

temperatura provocará a atuação do elemento sensor do detector de calor, a

ampola do sprinkler, a pressão de ar cairá em razão do vazamento,

transmitindo essa perda de pressão ao pressostato, que por sua vez emitirá um

sinal para o painel de incêndio NOTIFIER que se encontra dentro do quadro

QCAN, com a queda de pressão de ar haverá o desarme do diafragma que

mantém a válvula dilúvio em posição fechada, (tão logo a válvula dilúvio é

atuada, o motor de alarme hidráulico é acionado, operando um alarme que

chama a atenção para o ocorrido) permitindo a passagem de água para as

tubulações até chegar nos anéis de proteção, onde estão instalados os

projetores de água nebulizada, os quais estão adequadamente distribuídos de

forma a proteger toda a superfície do equipamento e seu tanque de óleo,

provocando o impacto da água em alta velocidade sobre o óleo incendiado,

causando a emulsificação deste, proporcionando um resfriamento de forma que

a extinção de incêndio é acompanhada pelo sufocamento da combustão,

apagando o incêndio.

20

5. SISTEMA DE HIDRANTES

O Sistema de Combate à Incêndio por Hidrantes é constituído por duas

centrais de bombeamento independentes.

Este sistema tem por finalidade combater o incêndio nas áreas externas e

internas das Casas de Força. Os hidrantes irão atender as seguintes áreas:

área dos transformadores, almoxarifados, áreas de montagem, edifício de

controle, edifício da portaria e depósito.

O fornecimento de água para o sistema de combate a incêndio por hidrantes

será feito através de tubulação derivada das tubulações de captação de água

para o sistema de água de resfriamento. Da tubulação de alimentação, serão

alimentados os grupos motobomba que recalcarão a água através de um

coletor principal de alimentação para os hidrantes.

O sistema de combate a incêndio por Hidrantes será composto de 2(dois)

conjuntos de bombeamento, onde cada um contém 1(um) filtro dupla cesta e 3

(três) grupos motobombas centrífugas, de eixos horizontais, sendo 1 (um)

deles principal, 1 (um) reserva ativa e 1 (um) auxiliar (jóckey) para

pressurização do sistema, além de tubulação, hidrantes de coluna e

instrumentação para controle.

Na tubulação de alimentação do sistema de sucção das bombas, será instalado

um filtro tipo dupla cesta, de modo que seja possível a manutenção no filtro

sem a interrupção do fluxo d’água na tubulação.

Para o sistema, haverá uma bomba jóckey que manterá a rede pressurizada

dentro dos limites estabelecidos pelos pressostatos de alta e baixa pressão.

Na abertura de um ou mais hidrantes, a pressão da rede cai atuando o

pressostato de pressão muito baixa, fazendo que a bomba principal entre em

operação automaticamente. Se a bomba principal não entrar em operação,

após 15 (quinze) segundos a bomba reserva será ligada automaticamente. Em

caso de detecção de falha da bomba principal a bomba reserva entrará em

funcionamento sem a referida temporização.

O sistema será acionado toda vez que um ou mais hidrantes forem abertos,

despressurizando a rede. A redução brusca da pressão na rede, detectada

pelo pressostato de muito baixa pressão, aciona a bomba principal ou reserva.

Nessa situação a bomba jóckey é desligada automaticamente.

21

Quando da entrada em operação da bomba principal ou da reserva, a bomba

Jóckey é desligada automaticamente.

O desligamento da bomba principal ou reserva será feito manualmente.

Na saída das bombas principais serão instaladas válvulas de alívio que têm por

objetivo descarregar a vazão excedente.

6. SISTEMA DE PREVENSÃO DE EXPLOSÃO DO TRASFORMADOR

("TRANSFORMER PROTECTOR")

Pequenas falhas no isolamento das bobinas e nas conexões internas do

transformador provocam a formação de arcos elétricos e aquecimento local,

causando a decomposição do óleo com a formação de bolhas de gás que se

deslocam para a parte superior do transformador.

Estes e outros defeitos incipientes podem, com o decorrer do funcionamento do

transformador evoluir para defeitos mais graves, tal como curto-circuito interno.

Portanto, há necessidade de se detectar estes pequenos defeitos incipientes

para que a equipe ténica da subestação possa programar a manutenção.

O relé mais apropriado para detectar a presença de gás e rápida

movimentação de óleo no transformador é o relé à gás conhecido como relé

Buchholz (função 63).

No caso deste empreendimento o sistema foi denominado "Transformer

Protector". Em faltas de baixa impedância o gradiente de pressão no interior do

transformador é muito rápido para a atuação do Buchholz bem como a abertura

de disjuntor (50ms). Este sistema atua com a rapidez necessária impedindo

que as ondas de pressão, causadas pela expansão do gás, transfira sua

energia para a carcaça do equipamento na grande maioria dos casos causa a

explosão do transformador. Este sistema é composto por: Conjunto de

Despressurização Vertical, Conjunto de Injeção de Gás Inerte, Conjunto

Detector Linear de Calor e Tanque de Separação Gás/Óleo no Conservador.

6.1OPERAÇÃO DO SISTEMA

O Conjunto de Despressurização Vertical é instalado no transformador e no

Comutador em Carga. Este inclui um Disco de Ruptura o qual alivia a condição

de pressão excessiva em alguns milissegundos e uma Câmara de

Descompressão permite uma despressurização em alta velocidade. Tempo de

22

Despressurização é um parâmetro crítico. Portanto, o diâmetro do Conjunto de

Despressurização é um fator importante para que todo o sistema seja efetivo.

Durante um curto-circuito, o Transformer Protector é ativado dentro de

milissegundos pelo primeiro pico de pressão dinâmica de uma onda de choque,

evitando explosão do transformador antes que a pressão estática aumente.

Um Conjunto de Injeção de Gás Inerte, instalado atrás de parede corta-fogo

próximo ao trafo, cria um ambiente seguro dentro do transformador e o

Comutador em Carga depois do processo de despressurização, pela injeção de

nitrogênio dentro do tanque do transformador. O gás inerte irá parar

imediatamente a produção do gás explosivo e equalizará a temperatura do óleo

em contato com:

Os gases aquecidos localmente, entre 1000 e 2000°C(1832 e 3632°F),

que são criados pelo arco elétrico; e

As partes metálicas superaquecidas acima de 680°C(1256°F) para

bobinas de alumínio ou 1080°C(1976°F) para bobinas de cobre.

O fluxo de gás inerte irá canalizar os gases explosivos para uma área remota.

Além disso, o este Conjunto impede o ar (oxigênio) de entrar em contato com

os gases auto-inflamáveis. Com isso, o arrefecimento do transformador e

equipamentos associados é dado pela transferência de calor causada durante

a agitação do óleo. O processo de injeção de gás ocorre durante 45 minutos.

Depois que a esta estiver completa, a equipe de manutenção poderá iniciar os

trabalhos no transformador.

O Painel de Controle é capaz de fazer a injeção de gás inerte tanto manual

como automaticamente. Para a injeção automática de gás inerte (configuração

padrão do Transformer Protector), dois sinais simultâneos são enviados ao

Painel de Controle enviando informações de modo que o Conjunto de Injeção

de Gás Inerte possa ser acionado automaticamente. Os dois modos que

resultam na injeção automática são: Modo Prevenção e Modo Extinção.

Quando ambos os sinais estão presentes, um Atuador Elétrico ativa

imediatamente o alarme do Conjunto de Injeção de Gás Inerte. Assim que isso

acontece, o Conjunto de Injeção de Gás Inerte injetará Gás Inerte

automaticamente no fundo do transformador, do Comutador em Carga e da

Caixa de Cabo em Óleo. A Injeção Manual de Gás Inerte pode ser feita

23

colocando o sistema para modo manual e apertando o botão de injeção manual

por 5 segundos.

O Tanque de Separação Óleo-Gás no Conservador coleta o óleo

despressurizado, a mistura explosiva de gás inflamável e separa os gases do

óleo.

O Conjunto do Detector Linear de Calor é instalado na tampa do transformador

para detectar excesso de calor externo. Um sinal será recebido no Painel de

Controle advertindo a ocorrência de um evento. O Conjunto do Detector Linear

de Calor terá como objetivo confirmar, juntamente com as proteções elétricas,

a necessidade e injetar gás inerte dentro do transformador para manter as

condições normais de segurança no interior do mesmo.

Observe as Figura 02 e 03 para uma melhor visualização deste sistema como

um todo.

Figura 02 - Sistema Transformer Protector

24

Figura 03 - Escopo do Detector Linear de Calor (DLC)

LÓGICA DE OPERAÇÃOO sistema pode ser ativado em dois modos diferentes:

1 - Modo Prevenção

Assim que o Transformer Protector recebe o sinal do Disco de Ruptura e um

sinal de proteção elétrica (Buchholz, Diferencial, Falha no Terra ou

Sobrecorrente) o sistema será ativado no Modo Prevenção, injetando

automaticamente o gás inerte. Ao mesmo tempo, um LED estará piscando

durante 5 minutos, e depois o LED ficará aceso permanentemente. Se o Painel

de Controle receber somente um sinal(Disco de Ruptura ou Proteção elétrica)

por 30 minutos, o sistema irá automaticamente mudar para “Fora de Serviço”.

2 - Modo Extinção

Se o Painel de Controle receber um sinal do Detector Linear de Calor e um

sinal de proteção elétrica, o sistema será ativado no Modo Extinção injetando

automaticamente o gás inerte.

Observe a Figura 04 para um melhor entendimento da lógica padrão para

operação deste sistema.

25

Figura 04 - Lógica Padrão para Operação

26

7. CONCLUSÕES

Em países como o Brasil, onde os grandes centros consumidores, em geral,

são localizados a centenas de quilômetros das usinas geradoras – como é o

caso do empreendimento AHE Jirau – é imprescindível a transmissão da

energia elétrica em alta tensão e extra-alta tensão, visando à redução de

perdas e o aumento da eficiência do sistema. Além disso, devido a limitações

impostas pelo isolamento dos enrolamentos dos geradores da usina, a tensão

de geração é em 13,8kV já que uma tensão mais elevada aumentaria

demasiadamente a espessura do isolamento, inviabilizando financeiramente a

sua fabricação.

Feitas estas considerações, conclui-se ser evidente a importância e criticidade

do transformador de potência, pois, além de serem essenciais para a correta

transmissão e distribuição de energia estes equipamentos desempenham

outras importantes funções como prover o sistema com ponto de aterramento,

melhoria da confiabilidade do sistema, isolamento elétrico entre duas partes do

sistema. Deve-se ressaltar, além de todas estas abordagens, que o longo

tempo de espera para reparo ousubstituição deste equipamento exige um

sistema de proteçãocapaz de limitar os danos a um transformador em falha.

Neste sentido, este artigo alcançou o seu objetivo ao passo que uma análise

abrangente e consolidada dos tópicos essenciais da cadeia de proteção da

unidade transformadora do empreendimento AHE Jirau foi realizada. Para isso

as funçõese princípios básicos atuação do sistema de proteção existente foram

apresentados, tais como:

Sistema de Proteção (Elétrica);

Sistema de Proteção Mecânica (Preventivo Anti-Explosão);

Sistema de Água Nebulizada;

Sistema de Hidrantes.

27

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

***PORTAL ENERGIA SUSTENTÁVEL DO BRASIL. Disponível em: <http://www.energiasustentaveldobrasil.com.br/> Acesso em 10 de Maio de 2014.

***ANDERSON, P.M. (Paul M.). Power System Protection. IEEE Press power engineering series, United States of America, 1926.

*** WARRINGTON, A. R. van C., Protective Relays: Their Theory and Practice, 2, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1969.

***KINDERMANN, Geraldo - Proteção de Sistemas Elétricos de Potência – Volume 2. Edição do Autor, Florianópolis – SC, 2006, 1a edição.

***WESTINGHOUSE ELECTRIC CORPORATION. Transmission and Distribution – Reference Book. East Pittsburg – PA, 4th edition, 1950.

***BLACKBURN, J. L. Protective Relaying – Principles and Applications. Bothell, Washington, Second Edition.

***TRANSFORMER PROTECTOR SERGI FRANCE WEB SITE. Disponível em: <http://www.sergi-france.com/> Acesso em 3 de Junho de 2014.