SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GSE-19 19 a 24 Outubro de 2003 Uberlândia - Minas Gerais
GRUPO VIII
GRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAÇÕES E EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS - GSE
UMA COMPARAÇÃO TÉCNICA E ECONÔMICA SOBRE A APLICAÇÃO DE BANCOS DE CAPACITORES SHUNT COM FUSÍVEIS EXTERNOS, FUSÍVEIS INTERNOS E FUSELESS
Flavio Resende Garcia* Fernando Eduardo Leal Linhares
Inepar S.A.
RESUMO
Este artigo trata sobre as tecnologias existentes para fabricação de bancos de capacitores em derivação (“shunt”): com fusíveis externos, com fusíveis internos e sem fusíveis (ou “fuseless”). Será apresentado o projeto de um banco de capacitores de 230 kV visando analisar as principais características de cada tecnologia, bem como compará-las sob os pontos de vista de proteção, arranjo, tamanho e quantidade de capacitores, perdas, área, custo, dentre outros. O objetivo final do trabalho é mostrar a tecnologia “fuseless” com alternativa bastante atrativa para bancos de capacitores “shunt” em tensões iguais ou superiores a 69 kV.
PALAVRAS-CHAVE
Capacitores, Fusíveis, Proteção, “Shunt”, Perdas, Área, Custo e “Fuseless”.
1.0 - INTRODUÇÃO:
A compensação de reativos é bastante utilizada pelas concessionárias de energia elétrica para controle do fluxo de reativos em linhas de transmissão, regulação de tensão em barramentos de subestações durante períodos com carga pesada, dentre outros. Em todas as concessionárias podem ser encontrados bancos de capacitores “shunt” de diversas tensões, variando de 11,9 kV até 345 kV, e diversas potências, variando de 300 kvar até 200 Mvar.
A tecnologia de fabricação dos capacitores de potência para estas aplicações atingiu no final da década 70 o projeto denominado “all-film”, que se utiliza de dielétrico de laminas de polipropileno de características isolantes especiais, folhas de alumínio estendidas para as placas, e impregnação a vácuo
com líquidos sintéticos com características especiais (eliminação de “hot-spots”, supressão de descargas parciais, constante e rigidez dielétrica compatível com o polipropileno, etc.). Desde então, a evolução técnica dos materiais, em conjunto com o aprimoramento das etapas produtivas, tem contribuído para uma redução drástica de volume das unidades capacitivas e consequente aumento do índice de potência utilizável por unidade de volume (1980 = 6,67 kvar/dm3, 2002 = 13,0 kvar/dm3), sem sacrifício para a longevidade operacional do equipamento. A tabela a seguir mostra a evolução dos capacitores desde
Entretanto, devido às possibilidades de ocorrência de falhas dielétricas advindas de imperfeições intrínsecas de fabricação ( menor que 1% durante o primeiro ano de operação) ou de solicitações externas ( sobretensões de regime, surtos, harmônicas) que vêm se tornando cada vez maiores com a complexidade dos sistemas e das cargas, há que se ter em mente a adoção de um sistema de alarme e proteção para os bancos de capacitores, que, além de ser extremamente confiável e seletivo, também permita alto grau de disponibilidade, por facilitar as interfaces das equipes de operação e manutenção com as eventuais falhas de capacitores. Aliado a isto, ainda são desejáveis características de baixas perdas e diminuição de áreas e custos de instalação, que são fatores de impacto direto para os operadores de sistema.
No Brasil, a grande maioria dos bancos de capacitores emprega dois tipos de tecnologia com relação à proteção dos capacitores: fusíveis externos e fusíveis internos. Ambas são bastante confiáveis e sua larga aplicação demonstra tal fato. Ambas possuem vantagens e desvantagens que, dependendo do tipo de
* Av. Juscelino K. de Oliveira, 11400 - CIC - CEP 81450-900 - Curitiba - PR - BRASIL. Tel: (031) 341-1297 - Fax: (031) 341-1517 - E-mail: reativos@inepar.com.br
aplicação e do custo envolvido, justificam a melhor escolha.
Nos últimos anos, uma tecnologia inovadora chamada “fuseless” (ou sem fusíveis em Português) vem sendo aplicada para bancos de capacitores shunt com tensão igual ou superior a 34,5 kV. No Brasil algumas concessionárias de energia elétrica como Eletronorte e CEEE no Rio Grande do Sul já aprovaram e instalaram bancos de capacitores com este tipo de tecnologia.
Será nosso objetivo apresentar um comparativo técnico e econômico para um caso típico de banco de capacitores em 230 kV, destacando os três tipos tecnologia acima descritos, visando demonstrar e avaliar cada uma delas sob diversos aspectos: Tipo de ligação, proteção, seletividade, dados dos capacitores, arranjo, acessórios, perdas, área utilizada, altura, peso e custo. Os resultados do comparativo serão decisivos para a escolha da melhor alternativa técnica e econômica a ser definida pela concessionária.
Um dos aspectos mais importantes avaliados foi à confiabilidade, tendo em vista o histórico de atuação indevida dos fusíveis de bancos de capacitores tradicionais com fusíveis externos e com fusíveis internos. Ao suprimir os fusíveis dos capacitores, esta nova tecnologia aumentou a confiabilidade do banco de capacitores com a retirada de uma das partes mais sensíveis e suscetíveis a falhas do banco de capacitores.
Apesar do histórico recente na aplicação desta nova tecnologia, os resultados têm demonstrado este aumento da confiabilidade do equipamento. Esta dissertação não visa de forma alguma condenar a aplicação das outras tecnologias, tendo em vista que em determinadas situações às mesmas apresentam-se como a melhor opção a ser escolhida.
2.0 - CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS:
2.1 – Bancos de Capacitores com Fusíveis Externos: Nos bancos de capacitores com fusíveis externos, cada unidade capacitiva é protegida por um elemento fusível localizado externamente a caixa do capacitor como pode ser visto na figura 1 a seguir:
Figura 1 – Capacitor com Fusível Externo
A maior vantagem deste tipo de aplicação consiste na detecção rápida do capacitor com problema, através da visualização do elemento fusível atuado. Também vale ressaltar que todo o conjunto do capacitor fica protegido, incluindo curto-circuito direto da bucha para a caixa do capacitor.
As principais desvantagens deste tipo de tecnologia estão na limitação do tamanho do capacitor em função da corrente máxima de operação confiável do fusível (≈ 65 A) e a ocorrência de falhas intempestivas no referido fusível.
A tabela 1 seguir mostram-se a faixas normais de fabricação de capacitores com fusíveis externos em termos de potência (kvar) e tensão (kV).
Tabela 1 – Potências e Tensões de Fabricação do Capacitor com Fusível Externo
POTÊNCIA DA UNIDADE ( kvar ) UNIDADES TENSÃO NOMINAL ( kV ) 25 50 100 150 200 300 400 500 2.4 a 7.2 X X X X X X -0-7.2 a 15.0 X X X X X X X X 15.0 a 25.0 -0- -0- X X X X X X
Onde: x fabricação viável -o- fabricação inviável
2.2 – Bancos de Capacitores com Fusíveis Internos: Nos bancos de capacitores com fusíveis internos, cada elemento capacitivo interno ao capacitor é protegido por um elemento fusível localizado internamente a caixa do capacitor como pode ser visto na figura 2 a seguir:
Figura 2 – Capacitor com Fusíveis Internos Já neste tipo de aplicação, as maiores vantagens consistem na limitação da falha dielétrica a uma pequena porção da unidade capacitiva; na facilidade de conexões externas e na eliminação de barramentos.
As principais desvantagens deste tipo de tecnologia estão na viabilidade apenas para unidades com potências superiores a 300 kvar e tensões até 10
kV, nas maiores perdas internas (mais conexões), na não indicação visual de qual capacitor falhou e no desbalanço com baixas correntes.
A tabela 2 seguir mostram-se a faixas normais de fabricação de capacitores com fusíveis internos em termos de potência (kvar) e tensão (kV).
Tabela 2 – Potências e Tensões de Fabricação do Capacitor com Fusível Interno
POTÊNCIA DA UNIDADE ( kvar ) UNIDADES TENSÃO NOMINAL ( kV ) 25 50 100 150 200 300 400 >=500 2.4 a 7.2 -0- -0- X X X X X X 7.2 a 15.0 -0- -0- -0- -0- -0- X X X 15.0 a 25.0 -0- -0- -0- -0- -0- -0- -0- -0-2.4 a 7.2 -0- -0- -0- X X X X -0-7.2 a 15.0 -0- -0- -0- -0- X X X X 15.0 a 25.0 -0- -0- -0- -0- X X X X ou fus. interno Y isolada ou Y-Y (desb. Neutro)
☺
fus.externo ou fuseless Y aterrada Diferencial tensão Tap-point
☺ ☺
☺ ☺
☺
fusível interno Y aterrada Dif. Corrente em ponte H☺
☺ ☺
☺ ☺
Onde: x fabricação viável -o- fabricação inviável
2.3 – Capacitores sem Fusíveis (“Fuseless”):
Nos bancos de Capacitores sem fusíveis, como o próprio nome já menciona, o capacitor não possui nem fusíveis externos nem fusíveis internos, ficando a proteção a cargo do relé de desbalanço. A figura 3 exemplifica este tipo de banco de capacitores:
Figura 3 – Capacitores Sem Fusível (Fuseless) Neste tipo de aplicação, as maiores vantagens consistem na eliminação do risco de falha dos fusíveis, nas perdas menores, no menor risco de explosão da caixa do capacitor e na simplificação das conexões externas.
As principais desvantagens deste tipo de tecnologia estão na viabilidade apenas para bancos cd capacitores com tensões iguais ou superiores a 34,5 kV e na não indicação visual do capacitor falhado.
A tabela 3 seguir mostram-se a faixas normais de fabricação de capacitores sem fusíveis em termos de potência (kvar) e tensão (kV).
Tabela 3 – Potências e Tensões de Fabricação do Capacitor sem Fusíveis (“Fuseless”)
POTÊNCIA DA UNIDADE ( kvar ) UNIDADES
TENSÃO NOMINAL
( kV ) 25 50 100 150 200 300 400 >=500
Onde: x fabricação viável -o- fabricação inviável
3.0 - PROTEÇÃO DE BANCOS DE CAPACITORES: Existem vários tipos de proteção possíveis de serem utilizadas em bancos de capacitores “shunt”. Dentre as principais temos a proteção diferencial por corrente ou tensão no neutro (desbalanço no neutro), a diferencial de tensão tap-point e a diferencial de corrente em ponte H. A tabela 4 a seguir mostra as melhores aplicações de cada uma das proteções acima levando em consideração o tipo de capacitor utilizado, a ligação do banco de capacitores e classe de tensão do sistema onde o mesmo será instalado.
Tabela 4 – Comparativo de Aplicação de Proteção para Bancos de Capacitores “Shunt”
CLASSE DE TENSÃO DO BANCO ( kV ) PROTEÇÃO DO CAPACITOR LIGAÇÃO DO BANCO (PROTEÇÃO) 15 23 34.5 69 88 138 230 34 5 fus. externo
☺
4.0 - CASO EXEMPLO: COMPARATIVO ENTRE TECNOLOGIAS:
Visando ressaltar as diferenças existentes entre as três tecnologias de bancos de capacitores existentes, este capítulo mostrará, para um caso real, o projeto realizado para um banco de capacitores com as seguintes características técnicas: Potência = 55 Mvar; Tensão = 230 kV; Frequência = 60 Hz. A tabela 5 a seguir mostra o comparativo entre as tecnologias, para diversos aspectos importantes, tais como: Proteção, quantidade de capacitores, área, custo, dentre outros.
Tabela 5 – Comparativo entre as 03 Tecnologias de Bancos de Capacitores Shunt.
CARACTERÍSTICA BANCO COM FUSÍVEL EXTERNO BANCO COM FUSÍVEL INTERNO BANCO SEM FUSÍVEL (FUSELESS) GRUPOS EM SÉRIE 10 16 12 CAP. PARALELO 10 2 + 2 3
CAP. POR BANCO 300 96 108
LIGAÇÃO Estrela Aterrada Estrela Aterrada Estrela Aterrada
PROTEÇÃO DIFERENCIAL TENSÃO NO TAP. POINT DIFERENCIAL DE CORRENTE EM PONTE ( H ) DIFERENCIAL DE TENSÃO NO NEUTRO SELETIVIDADE ALARME = 1 cap. DESLIG.= 2 cap. ALARME = 3 elem. DESLIG.= 5 elem. ALARME = 4 elem.DESLIG.= 6 elem.
CAPACITOR 200 kvar – 13.8 kV 573 kvar – 8.3 kV 510 kvar – 11.06 kV ELEMENTOS NO
CAP.( S x P ) 7S x 2P 5S x 13P 7S x 5P ARRANJO 5 racks por fase 2 GS por rack
15 racks por banco
4 GS por rack 4 racks por fase 12 racks por banco
2 GS por rack 6 racks por fase 18 racks por banco ACESSÓRIOS
Sinal 3 TP de fase 3 TP 15 kV relé diferencial trif. 300 fus. Expulsão 300 capacitores 3 TC’s 138 kV 3 relé SPAJ 96 capacitores Sinal 3 TP de fase 3 3TP’s 15 kV relé diferencial trif.
108 capacitores 6 cap. Baixa tensão ISOLADORES 45 isoladores 34,5 kV 48 isoladores 69kV 72 isoladores 69 kV ACESSÓRIOS
ESPECIAIS Capacímetro digital Ponte capacitiva Capacímetro digital PERDAS
ESTIMADAS 0,15 W/kvar 0,12 W/kvar 0,10 W/kvar ÁREA UTILIZADA (somente do Banco) 13,0 x 15,0 m 9,0 x 10,0 m 6,0 x 12,0 m ALTURA 6,0 m 5,0 m 7,0 m PESO ESTIMADO 20.000 kg 17.200 kg 16.800 kg CUSTO (pu) 1,0 0,92 0,88 (Continuação da Tabela 5) CARACTERÍSTICA BANCO COM FUSÍVEL EXTERNO BANCO COM FUSÍVEL INTERNO BANCO SEM FUSÍVEL (FUSELESS)
Para melhor visualizar comparativamente os três tipos de bancos de capacitores concebidos, mostra-se a seguir os desenhos de cada deles conforme projeto para instalação em campo.
a) Banco de Capacitores com Fusíveis Externos:
Figura 4 – Banco de Capacitores 230 kV Com Fusíveis Externos.
Figura 5 - Proteção Banco com Fusíveis Externos b) Banco de Capacitores com Fusíveis Internos:
Figura 6 – Banco de Capacitores 230 kV com Fusíveis Internos
Figura 7 - Proteção do Banco com Fusíveis Internos c) Bancos de Capacitores Sem Fusíveis
(Fuseless):
Figura 8 – Banco de Capacitores Fuseless
5.0 – CONCLUSÕES:
Neste caso analisado, para uma aplicação em um sistema de 230 kV, com todos em função de todos os pontos comparados e analisados as principais vantagens técnicas e comerciais do banco de capacitores Fuseless com relação aos outros tipos existentes:
a) As perdas elétricas geradas pelo banco de capacitores com tecnologia Fuseless são 33,33% inferiores ao do banco com tecnologia fusível externo e 16,66% inferiores ao banco com tecnologia fusível interno.
b) A área utilizada pelo banco de capacitores com tecnologia Fuseless é cerca de 36,92% da área utilizada no do banco com tecnologia fusível externo e 80,0% da área utilizada no banco com tecnologia fusível interno.
c) Os custos do banco de capacitores com tecnologia Fuseless é 12% inferior ao custo do banco com tecnologia fusível externo e 8% inferior ao custo do banco com tecnologia fusível interno.
d) Vale ressaltar que o fato de não ter elementos fusíveis aumenta bastante a confiabilidade do banco com relação a problemas ocorridos devido à atuação indevida dos mesmos.
Baseado em todas as informações relatadas é válido concluir que o banco de capacitores sem fusíveis ou “fuseless” constitui uma excelente alternativa técnica e econômica a ser avaliada quando do planejamento de instalação de bancos de capacitores “shunt” ou mesmo “série” em sistemas com classe de tensão igual ou acima de 34,5 kV.
As outras duas tecnologias, reconhecidas e amplamente utilizadas, devem continuar como opções bastante válidas e aplicáveis em diversas situações onde à tecnologia fuseless não seja viável tecnicamente e atrativa comercialmente.
6.0 – BANCO FUSELESS FORNECIDO PELA INEPAR:
As fotos a seguir mostram que no exemplo mostrado, o cliente final optou pelo fornecimento do banco de capacitores de 230 kvar com tecnologia “Fuseless”.
Foto 1 – Vista Geral
Foto 2 – Vista dos Capacitores / Conexões
7.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) INEPAR S.A. INDÚSTRIA E CONSTRUÇÕES: Fornecimento de Banco de Capacitores Shunt com Tecnologia Fuseless para Eletronorte. Documentos Técnicos, Projeto e Manual do Equipamento, Curitiba - 2000;
(2) INEPAR S.A. INDÚSTRIA E CONSTRUÇÕES: Fornecimento de Banco de Capacitores Shunt com Tecnologia Fuseless para CEEE. Documentos Técnicos, Projeto e Manual do Equipamento, Curitiba - 2000;
(3) P. H. THIEL, J.E. HARDER, G. E. TAYLOR. Fuseless Capacitor Banks, Electric Utility Conference, Bloomington, Indiana, April 1991.
(4) GENERAL ELECTRIC COMPANY: Fuseless Capacitor Systems. Documents and Instructions Manuals - USA.