UMA COMPARAÇÃO TÉCNICA E ECONÔMICA SOBRE A APLICAÇÃO DE BANCOS DE CAPACITORES SHUNT COM FUSÍVEIS EXTERNOS, FUSÍVEIS INTERNOS E FUSELESS

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1 SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão 1.0 XXX.YY 19 a 24 Outubro de 2003 Uberlândia - Minas Gerais GRUPO VIII GRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAÇÕES E EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS 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 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 aplicação e do custo envolvido, justificam a melhor escolha. * Av. Juscelino K. de Oliveira, CIC - CEP Curitiba - PR - BRASIL. Tel: (031) Fax: (031) reativos@inepar.com.br

2 2 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 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS: 2.1 Bancos de Capacitores com Fusíveis Externos: 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 UNIDADES TENSÃO NOMINAL ( kv ) POTÊNCIA DA UNIDADE ( kvar ) a 7.2 X X X X X X a 15.0 X X X X X X X X 15.0 a 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: 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 2 Capacitor com Fusíveis Internos Figura 1 Capacitor com Fusível Externo A maior vantagem deste tipo de aplicação consiste na detecção rápida do capacitor com 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.

3 3 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 UNIDADES TENSÃO NOMINAL ( kv ) POTÊNCIA DA UNIDADE ( kvar ) >= a X X X X X X 7.2 a X X X 15.0 a 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: Tabela 3 Potências e Tensões de Fabricação do Capacitor sem Fusíveis ( Fuseless ) UNIDADES TENSÃO NOMINAL ( kv ) POTÊNCIA DA UNIDADE ( kvar ) >= a X X X X a X X X X 15.0 a X X X X Onde: x fabricação viável -o- fabricação inviável 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 PROTEÇÃO DO CAPACITOR fus. externo ou fus. interno fus.externo ou fuseless fusível interno LIGAÇÃO DO BANCO (PROTEÇÃO) Y isolada ou Y-Y CLASSE DE TENSÃO DO BANCO ( kv ) (desb. Neutro) Y aterrada Diferencial tensão Tap-point Y aterrada Dif. Corrente em ponte H 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. 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 5 Comparativo entre as 03 Tecnologias de Bancos de Capacitores Shunt. CARACTERÍSTICA EXTERNO INTERNO BANCO SEM (FUSELESS) GRUPOS EM SÉRIE CAP. PARALELO CAP. POR BANCO LIGAÇÃO Estrela Aterrada Estrela Aterrada Estrela Aterrada PROTEÇÃO SELETIVIDADE DIFERENCIAL TENSÃO NO TAP. POINT ALARME = 1 cap. DESLIG.= 2 cap. DIFERENCIAL DE CORRENTE EM PONTE ( H ) ALARME = 3 elem. DESLIG.= 5 elem. DIFERENCIAL DE TENSÃO NO NEUTRO ALARME = 4 elem. DESLIG.= 6 elem.

4 4 (Continuação da Tabela 5) CARACTERÍSTICA EXTERNO INTERNO BANCO SEM (FUSELESS) CAPACITOR 200 kvar 13.8 kv 573 kvar 8.3 kv 510 kvar kv ELEMENTOS NO CAP.( S x P ) ARRANJO ACESSÓRIOS ISOLADORES ACESSÓRIOS ESPECIAIS PERDAS ESTIMADAS ÁREA UTILIZADA (somente do Banco) 7S x 2P 5S x 13P 7S x 5P 2 GS por rack 5 racks por fase 15 racks por banco Sinal 3 TP de fase 3 TP 15 kv relé diferencial trif. 300 fus. Expulsão 300 capacitores 45 isoladores 34,5 kv 4 GS por rack 4 racks por fase 12 racks por banco 3 TC s 138 kv 3 relé SPAJ 96 capacitores 48 isoladores 69kV 2 GS por rack 6 racks por fase 18 racks por banco Sinal 3 TP de fase 3 3TP s 15 kv relé diferencial trif. 108 capacitores 6 cap. Baixa tensão 72 isoladores 69 kv Capacímetro digital Ponte capacitiva Capacímetro digital 0,15 W/kvar 0,12 W/kvar 0,10 W/kvar 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 kg kg kg CUSTO (pu) 1,0 0,92 0,88 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 5 - Proteção Banco com Fusíveis Externos b) Banco de Capacitores com Fusíveis Internos: Figura 4 Banco de Capacitores 230 kv Com Fusíveis Externos. Figura 6 Banco de Capacitores 230 kv com Fusíveis Internos

5 5 Figura 7 - Proteção do Banco com Fusíveis Internos c) Bancos de Capacitores Sem Fusíveis (Fuseless): Figura 8 Banco de Capacitores Fuseless Figura 7 - Proteção do Banco sem Fusíveis 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

6 6 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. (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 ; (3) P. H. THIEL, J.E. HARDER, G. E. TAYLOR. Fuseless Capacitor Banks, Electric Utility Conference, Bloomington, Indiana, April (4) GENERAL ELECTRIC COMPANY: Fuseless Capacitor Systems. Documents and Instructions Manuals - USA. Foto 1 Vista Geral Foto 2 Vista dos Capacitores / Conexões 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 ;