XIV SEMINÁRIO NACIONAL DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 XIV SEMINÁRIO NACIONAL DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EXPERIÊNCIA DA LIGHT NA EXTENSÃO DE VIDA ÚTIL DE CONJUNTOS DE MANOBRA E CONTROLE BLINDADOS DE 15 KV ATRAVÉS DO DESENVOLVIMENTO E UTILIZAÇÃO DE DISJUNTORES RETROFIT GERALDO MAGELLA PEREIRA DA SILVA E JOSÉ MANUEL ALVES CARNEIRO LIGHT LIGHT SERVIÇOS DE ELETRICIDADE S.A. Palavra-chave: EXTENSÃO BLINDADO RETROFIT Foz do Iguaçu, 19 a 23 de Novembro de

2 EXPERIÊNCIA DA LIGHT NA EXTENSÃO DE VIDA ÚTIL DE CONJUNTOS DE MANOBRA E CONTROLE BLINDADOS DE 15 KV ATRAVÉS DO DESENVOLVIMENTO E UTILIZAÇÃO DE DISJUNTORES RETROFIT 1. Introdução A partir da década de 60 até o início da década de 80, justamente o período em que ocorreu grande crescimento do sistema elétrico da Light, os disjuntores com tecnologia de interrupção a sopro magnético dominavam o mercado no Brasil e, em particular, o sistema de distribuição em média tensão da Light. No final da década de 80, quando os problemas com reposição de peças sobressalentes já se faziam presentes, devido a desativação gradual das linhas de produção de disjuntores com essa tecnologia, o sistema de distribuição da empresa era composto de aproximadamente 1370 cubículos blindados de diversos tipos e fabricantes. Diante deste quadro, que tendia a se agravar com o envelhecimento desses equipamentos, fazia-se necessário a busca de soluções alternativas. A solução técnica ideal, porém de custo elevado, além da complexidade de substituição sem interrupção de fornecimento aos consumidores, já que em muitos casos não havia espaço físico na pátio da subestação, seria a substituição gradual dos conjuntos blindados com disjuntores a sopro magnético por outros de tecnologia mais moderna, vácuo ou SF6 por exemplo. O presente trabalho tem por objetivo apresentar a experiência da Light na extensão da vida útil dos conjuntos blindados classe 15 kv através da substituição de seus disjuntores a sopro magnético por disjuntores Retrofit de tecnologia moderna, a vácuo ou a SF6 com o aproveitamento integral dos cubículos, sem modificações e sem a necessidade de impedimentos prolongados, já que os mesmos encontram-se em boas condições. Serão abordados os seguintes tópicos: Desenvolvimento de disjuntores Retrofit abrangendo a especificação, levantamento de dados no campo, fabricação de protótipo mecânico, teste de inserção no campo, confecção do protótipo eletromecânico, ensaios de tipo e de rotina previstos em norma, comissionamento e período de avaliação para aprovação final. Problemas após o desenvolvimento e respectivas soluções, enfatizando a importância da parceria entre a experiência da engenharia de manutenção da empresa com a do projetista do disjuntor. Custos comparativos entre as alternativas substituição do conjunto blindado completo versus substituição dos disjuntores a sopro magnético por Retrofits a vácuo ou SF6. Programa de substituição de disjuntores consolidado com o cronograma de obras elaborado pelo órgão de planejamento do sistema, garantindo fonte de material sobressalente para os disjuntores remanescentes, e disjuntores reserva. Redução dos índices de falha com o conseqüente aumento da confiabilidade do sistema. Em síntese, a experiência da Light no desenvolvimento de disjuntores Retrofit a vácuo ou SF6 em conjunto com os fabricantes e na substituição dos disjuntores a sopro magnético por estes disjuntores tem apresentado bons resultados técnico-econômicos. Assim sendo, foi elaborado um Plano de Substituição de Disjuntores a Sopro Magnético. 2. Desenvolvimento de Disjuntor Retrofit No desenvolvimento de um protótipo de disjuntor Retrofit existem duas alternativas, a saber: Com o próprio fabricante do cubículo/disjuntor a sopro magnético, o qual possui todo o detalhamento do projeto, bem como gabaritos e ferramental original utilizado na fabricação. Neste caso, o desenvolvimento é mais fácil não existindo grande preocupação, durante o desenvolvimento, com os testes de acoplamento do Retrofit ao cubículo blindado, somente ao final do processo o teste de acoplamento é executado. A atenção fica voltada para os ensaios de tipo e de rotina. A outra alternativa é a execução do projeto com outro fabricante que manifeste interesse no desenvolvimento. Esta alternativa apresenta o maior grau de dificuldade, sendo necessário o cumprimento das seguintes etapas: 2.1. Especificação 2

3 a. Características Principais O Retrofit deverá atender a todos os requisitos previstos em Norma, tais como: Tensão nominal, Tensão suportável ao impulso atmosférico, Tensão suportável a frequência industrial, Capacidade nominal de estabelecimento e interrupção sob curto circuito, corrente suportável de curta duração, Tensão nominal dos circuitos de comando, etc. b) Características Específicas Além dos requisitos especificados no item a, acima, o disjuntor Retrofit deve atender as seguintes características específicas: Ser totalmente intercambiável com o disjuntor a sopro magnético que irá substituir, especificar fabricante, tipo e características principais, enfatizando que não serão admitidas adaptações no cubículo. A grandeza da corrente que circula pelo circuito de abertura do disjuntor deve ser compatível com os relés de proteção existentes no cubículo, que operam em série. Previsão de proteção para os circuitos de controle, quando for o caso. c) Requisitos Complementares Deverão ser atendidos os seguintes requisitos complementares: Especificação os ensaios de tipo previstos em Norma cuja execução terão o acompanhamento do engenheiro da concessionária responsável pelo projeto. Previsão do evento Aprovação de Desenhos. Jogo de desenhos, deverá conter: Diagrama funcional de controle; Desenho mecânico contendo vista frontal, vistas laterais, vista traseira e corte lateral. Nestes desenhos deverão ser previstos e cotados todos os componentes de acoplamento ao cubículo, incluindo detalhes, de forma a serem bem representados. Também deverão ser representadas (com cotas e detalhes) divisórias isolantes e principais distâncias entre fases e entre fase e terra. O desenvolvimento deve ser dividido em etapas, as quais se constituirão em marcos de pagamento. É conveniente que o último marco seja significativo (em torno de 50% do material e do serviço), e após o comissionamento Coleta de Dados Necessário ao Desenvolvimento A condição ideal de desenvolvimento é disponibilizar um cubículo original com disjuntor, normalmente oriundo de desativação, que servirá de modelo para o fabricante. Nesta condição o desenvolvimento do projeto mecânico, em particular dos pontos de acoplamento do disjuntor ao cubículo será enormemente facilitado. De outro modo, será necessário programar alguns impedimentos para que o projetista possa fazer a coleta dos dados necessários a elaboração de um croqui preliminar Desenvolvimento Após a elaboração do projeto o fabricante submete-o à aprovação preliminar. Nesta fase o engenheiro de manutenção agrega valor em função de sua experiência com o equipamento. Com o projeto preliminar aprovado o fabricante desenvolve o protótipo da estrutura mecânica, contendo todos os pontos de acoplamento ao cubículo (terminais de primários, contato de aterramento, sistema de inserção, intertravamento positivo, que impede a inserção / extração do disjuntor na posição fechada, tomada de controle, acionador das guilhotinas, acionador da chave auxiliar, placa código, etc, conforme figuras 1, 2, 3, 4, 5 e 6). Em resumo o projetista deve procurar reproduzir o projeto original tanto quanto possível, de forma a evitar possível retrabalho. 3

4 Nesta fase deve ser realizado o primeiro teste de inserção do protótipo no cubículo, quando são verificados os ajustes de todos os pontos de acoplamento e o funcionamento mecânico do disjuntor. Nesta ocasião é de fundamental importância a medição dos tempos de operação (abertura/fechamento) com o disjuntor na posição inserido, de modo a verificar se as novas cargas impostas ao mecanismo (chaves auxiliares estacionárias) afetarão os tempos de fechamento e de abertura do disjuntor. Caso sejam identificadas inconsistências durante o teste de inserção que demandem alteração de projeto, o que normalmente ocorre, novos testes de inserção deverão ser programados, com impedimento. Concluído o desenvolvimento mecânico, o protótipo estará pronto para ser complementado com as estruturas isolantes previstas em projeto de modo a que possa ser submetido aos ensaios de tipo especificados. Em todo o desenvolvimento, é fundamental a participação do corpo técnico da engenharia de manutenção, transmitindo ao projetista sua experiência com o equipamento, particularidades de funcionamento, pontos fracos etc. 2.4 Ensaios de tipo Uma vez encerrada a fase de desenvolvimento, o protótipo é submetido aos ensaios previstos em norma e especificados. Como o fabricante utiliza no desenvolvimento do Retrofit um disjuntor de série, com os ensaios de tipo já homologados por laboratório oficial, como ponto de partida para o desenvolvimento, algumas séries de ensaio poderão ser dispensadas de modo a viabilizar o projeto economicamente, tais como: Estabelecimento e interrupção sob curto circuito, durabilidade mecânica, etc, desde que as modificações necessárias a tornar o disjuntor retrofit intercambiável com o disjuntor original não possam afetar o resultado dos ensaios. Obrigatoriamente devem ser realizados os seguintes ensaios, em ordem de importância: Tensão suportável ao impulso atmosférico, Tensão suportável a freqüência industrial, Elevação de temperatura, Corrente suportável de curta duração e todos os ensaios de rotina. Nesta fase, em função do resultado dos ensaios de tipo poderá ser necessário a introdução de modificações no projeto e a realização de novos ensaios. Considerando-se ser o ensaio de Tensão suportável ao impulso atmosférico o mais crítico neste tipo de desenvolvimento, o projetista deve dar especial atenção a detalhes tais como: pontas e arestas metálicas, distâncias dielétricas, inserção de divisórias isolantes de qualidade e bem dimensionadas. Estes aspectos são fundamentais para que o protótipo tenha sucesso no ensaio e seja aprovado. O ensaio de Elevação de temperatura para disjuntores com correntes nominais iguais ou superiores a 2500 A, também passa a ser crítico, devendo ser empregados recursos tais como: parafusos não ferrosos, sistema de ventilação adequada, dissipadores, etc Comissionamento Antes da instalação definitiva do Retrofit são executados os ensaios de comissionamento que compreendem teste de inserção no cubículo, várias operações de abertura e fechamento com o disjuntor na posição inserido, medição dos tempos de operação com o disjuntor nesta posição de modo a verificar o perfeito funcionamento e eventuais danos de transporte. Concluídas as verificações de comissionamento o equipamento deve ser energizado em um circuito com alta taxa de operação e ficar sob observação por um período de 1 a 3 meses Prazo para o Desenvolvimento do Protótipo Normalmente o desenvolvimento de um disjuntor Retrofit é realizado em um período de um a dois anos. Este prazo depende da disponibilidade ou não de um cubículo com disjuntor para servir de modelo. Em caso positivo um ano é suficiente caso contrário, com disponibilidade somente do disjuntor, em torno de 1 4

5 ano e meio a dois anos. Se não houver disponibilidade nem do cubículo nem do disjuntor poderá levar dois anos ou mais. 3. Problemas Observados após o Desenvolvimento / Análise de Desempenho Nos primeiros Retrofits adquiridos ocorreram alguns problemas de desempenho devido a falta de experiência no desenvolvimento deste tipo de equipamento, face ao pioneirismo desta iniciativa no Brasil (em 1989). Os problemas tiveram origem em pequenos detalhes, que passaram despercebidos na fase de desenvolvimento, porém muito importantes, tais como: Cargas adicionais impostas ao mecanismo que aparentemente pareciam não ser significativas, como por exemplo, a carga imposta pela chave auxiliar estacionária situada no cubículo e acionada pelo mecanismo do disjuntor. Em disjuntores de acoplamento vertical (com sistema de elevador), verificou-se a importância de adicionar lastro de massa na parte posterior do disjuntor para equilibrá-lo sobre o elevador de inserção / extração, de modo a eliminar problemas de acoplamento. Assim sendo, é muito importante a perfeita integração entre concessionária / fabricante com as duas partes abertas a sugestões, assim como as preocupações com reduções de custo não devem levar a dimensionamentos com pequenas margens de segurança, pois certamente implicará em prejuízos com retrabalho e novos ensaios. Também é muito importante que seja previsto no contrato o serviço de instalação do disjuntor. Todos os problemas observados após o desenvolvimento foram solucionados em parceria com os fabricantes e atualmente apresentam desempenho satisfatório. Existem vários disjuntores Retrofit operando desde Apresentamos, em anexo, a tabela 3 contendo os disjuntores a sopro magnético por fabricante e tipo para os quais já foram desenvolvidos disjuntores Retrofit. 4. Aspectos de Custos Apresentamos nas tabelas 1 e 2 a avaliação do custo comparativo entre a alternativa de substituição dos disjuntores a sopro magnético por disjuntores Retrofit a vácuo ou a SF6 versus a substituição do conjunto blindado com disjuntores a sopro magnético por conjunto blindado novo com disjuntores a vácuo ou a SF6. Nesta avaliação consideramos: Um conjunto blindado composto de 28 cubículos, sendo 22 de 1200 A e 6 de 2000 A, cujo custo médio por cubículo é de 2,3214 UR (UR - unidade de referência). O custo do disjuntor Retrofit de 1200 A e de 2000 A é de 1,0000 UR e 1,0714 UR respectivamente, para a família A, tipo X e licenciados. O custo do disjuntor Retrofit de 1200 A e de 2000 A é de 1,2500 UR e 1,5714 UR respectivamente, para a família B, tipo Y. Como pode ser observado nas tabelas 1 e 2, o custo comparativo é favorável aos disjuntores Retrofit, ou seja 139,43% menor para família A, tipo X e 89,25% menor para a família B, tipo Y em relação a alternativa de substituição do conjunto blindado com disjuntores a sopro magnético por conjunto blindado novo, com disjuntores a vácuo ou a SF6. O custo médio dos disjuntores Retrofit para a família A, tipo X é de 1,1256 UR e de 1,4155 UR para a família B, tipo Y. 5

6 6. Conclusão - Programa de Substituição de Disjuntores a Sopro Magnético Após o desenvolvimento dos primeiros protótipos foram adquiridos 222 disjuntores Retrofit, em 1990, para substituição dos disjuntores a sopro magnético. Nesta fase foi priorizada a substituição dos disjuntores que operavam banco de capacitores, que apresentavam problema de reacendimento de arco, assim como os disjuntores, na época, com mais de 25 anos, com o objetivo de disponibilizá-los à Manutenção como reserva ou como fonte de material sobressalente. A experiência da Light no desenvolvimento e substituição de disjuntores a sopro magnético por disjuntores Retrofit a vácuo ou a SF6, apresentou bons resultados técnicos e econômicos. Atualmente, foi elaborada uma proposta de Programa Plurianual de Substituição de Disjuntores a Sopro Magnético, dependendo de aprovação, que propõe a substituição de todo o universo de disjuntores a sopro magnético, composto de 972 unidades, em 6 anos. Com o volume em torno de 162 unidades por ano, pretendemos conseguir melhores condições comerciais. Este programa prioriza a substituição dos disjuntores através de critério que permita obter o melhor desempenho possível para os disjuntores de 15 kv que permanecerem em operação até que todos os disjuntores sejam substituídos. Neste sentido, procurou-se priorizar a substituição dos disjuntores a sopro magnético mais críticos ( Fabricante E, tipo X, que apresentam deficiências de projeto, principalmente os fabricados em 1977 / 1978 e deficiência de material sobressalente, assim como os disjuntores família B, tipo Y, com deficiência de material sobressalente, principalmente câmaras de interrupção, que são muito sensíveis às condições ambientais), com a seguinte associação: intercessão dos disjuntores operando com religamento e dos disjuntores de subestações mais importantes, em ordem decrescente de corrente de curto circuito a que estão sujeitos e em ordem decrescente de idade. Assim sendo, pretende-se, também garantir níveis adequados de câmaras de interrupção em estoque para suprir as necessidades do Plano Mestre de Manutenção para esses equipamentos. 7. Bibliografia Norma NBR-7118-SET/1994 Disjuntores de alta-tensão Norma NBR-6979-JUL/1998 Conjunto de manobra e controle em invólucro metálico para tensões de 1 kv até 36,2 kv Especificação Manual de Instruções General Eletric GEK 31111A Manual de Instruções General Eletric GEH 6468A Manual de Instruções Westinghouse I.B A 6

7 Tabela 1 - Custo Comparativo de Disjuntores Retrofit Família A Contra Blindado Novo CUSTO DE SUBSTITUIÇÃO DE UMA BLINDADA 15 kv ( 28 CUBÍCULOS ) * UR Unidade de referência DESCRIÇÃO CUSTO (UR) Custo Total (custo: da blindada, de projeto, de desmontagem e de montagem) 77,6588 Receita Total Apurada (carcaça da blindada e dos disjuntores substituídos) 2,1951 Custo Líquido Total 75,4637 CUSTO DE SUBSTITUIÇÃO DE 28 DISJUNTORES FAMÍLIA A, TIPO X DESCRIÇÃO CUSTO (UR) Custo Total (custo: disj. retrofit, 6 de 2000 A / 22 de 1200 A e válvulas de alívio de pressão para 28 cubículos) 33,3064 Receita apurada nos disjuntores a sopro magnético 1,7886 Custo Líquido Total 31,5178 DIFERENÇA PERCENTUAL FAVORÁVEL AO DISJUNTOR RETROFIT 139,43 % CUSTO MÉDIO DO CUBÍCULO NOVO INSTALADO 2,6951 CUSTO MÉDIO DO DISJUNTOR RETROFIT FAMÍLIA A INSTALADO 1, Tabela Custo Comparativo de Disjuntores Retrofit Família A Contra Blindado Novo 7

8 Tabela 2 - Custo Comparativo de Disjuntores Retrofit Família B Contra Blindado Novo CUSTO DE SUBSTITUIÇÃO DE UMA BLINDADA 15 kv ( 28 CUBÍCULOS ) * UR Unidade de referência DESCRIÇÃO CUSTO (UR) Custo Total (custo: da blindada, de projeto, de desmontagem e de montagem) 77,6588 Receita Total Apurada (carcaça da blindada e dos disjuntores substituídos) 2,6504 Custo Líquido Total 75,0084 CUSTO DE SUBSTITUIÇÃO DE 28 DISJUNTORES FAMÍLA B, TIPO Y DESCRIÇÃO CUSTO (UR) Custo Total (custo: disj. retrofit, 6 de 2000 A / 22 de 1200 A e válvulas de alívio de pressão para 28 cubículos) 41,8060 Receita apurada nos disjuntores a sopro magnético 2,2439 Custo Líquido Total 39,6341 DIFERENÇA PERCENTUAL FAVORÁVEL AO DISJUNTOR RETROFIT 89,25 % CUSTO MÉDIO DO CUBÍCULO NOVO INSTALADO 2,7735 CUSTO MÉDIO DO DISJUNTOR RETROFIT FAMÍLIA B INSTALADO 1,4155 Tabela 2 - Custo Comparativo de Disjuntores Retrofit Família B Contra Blindado Novo 8

9 Tabela 3 Disjuntores a Sopro Magnético com Disjuntores Retrofit Desenvolvidos DISJUNTOR SOPRO MAGNÉTICO DISJUNTORES RETROFIT FABRICANTE TIPO CORRENTE FABRICANTE OBSERVAÇÃO C Y D Y 2000 / 1200 A E X 2000 / 1200 A F X 3000 A F X / Z 2000 / 1200 A G W D Projeto Original Aprovado I Projeto Alternativo Aprovado 2500 A J Projeto Alternativo Aprovado K D Projeto Original Aprovado I Projeto Alternativo Aprovado 2000 / J Projeto Alternativo Aprovado 1200 A L Projeto Alternativo Aprovado K D Projeto Original Aprovado I Projeto Alternativo Aprovado J Projeto Alternativo Aprovado K L L Projeto Original Aprovado J K J Projeto Alternativo Aprovado K L Projeto Original Aprovado J K 2000 / 1200 A L Projeto Alternativo Aprovado H V 1200 A I Projeto Alternativo Aprovado Tabela 3 Disjuntores a Sopro Magnético com Disjuntores Retrofit Desenvolvidos 9

10 Figura 1 Disjuntor a Vácuo Retrofit Fabricante J na Posição Inserida Acionamento da Chave Auxiliar Tomada de Controle Intertravamento Positivo Figura 1 Disjuntor Retrofit Fabricante J Intercambiável com Disjuntor Fabricante C, Tipo Y 10

11 Figura 2 Disjuntor a vácuo Retrofit Fabricante I na Posição Inserida Acionamento da Chave Auxiliar Tomada de Controle Intertravamento Positivo Figura 2 Disjuntor Retrofit Fabricante I Intercambiável com Disj. Fabricante C Tipo Y 11

12 Figuras 3 Disjuntor a S. Magnético Fabricante D, Tipo Y Tomada de Controle Bucha Pontos de Apoio ao Elvador Intertravamento Positivo Contato de Aterramento Figura 3 Vista Fronto - Lateral 12

13 Figuras 4 Disjuntor Retrofit a Vácuo Fabricante D, Intercambiável com Disj. Fabr. D, Tipo Y Tomada de Controle Bucha Acionamento da Chave Auxiliar Apoio ao Elevador Intertravamento Positivo Figuras 4 Disjuntor Retrofit a Vácuo GE Tipo VL Contato de Aterramento Figura 4 Vista Fronto - Lateral 13

14 Figuras 5 Disjuntor a S. Magnético Fabricante E, Tipo X Terminal de Acionamento da Chave Auxiliar Acionamento da Guilhotia Trilho Guia Figura 5 - Vista Fronto-Lateral 14

15 Figuras 6 Disjuntor a S. Magnético Fabricante E, Tipo X Tomada de Porca do Sistema de Intertravamento Figura 6 Vista Inferior 15