Aula 03 - Topologias e Arranjos de Barramentos de Alta Tensão

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📍 Disciplina: 04 Subestações | 🏠 Hub Principal

Metadados da Aula

• Área: 04 Sistemas Elétricos de Potência e Eletrotécnica
• Carga Horária Equivalente: 4 horas-aula teóricas e práticas
• Normas e Referências: Procedimentos de Rede do ONS (Submódulo 2.2 — Requisitos de Arranjos de Barramento), IEC 61936-1, IEEE Std C37.100, ABNT NBR 5422

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📌 Sumário da Aula

1. 🧭 1. Contextualização e Objetivos de Aprendizagem
2. 📋 2. Sumário Executivo dos Tópicos
3. 📐 3. Diagrama Esquemático: Arranjos de Barramentos em Alta Tensão
4. ⚡ 4. Fundamentação Teórica e Modelagem Matemática Rigorosa
   • 4.1 Critérios de Projeto: Confiabilidade, Flexibilidade e Custo
   • 4.2 Barramento Simples (BS) e Simples Seccionado
   • 4.3 Barramento Principal e Transferência (BPT)
   • 4.4 Barramento Duplo a Um Disjuntor (BD1D) e com Barra de Transferência
   • 4.5 Barramento Duplo a Disjuntor e Meio (BD 1 1/2 D)
   • 4.6 Barramento em Anel (Ring Bus) e Duplo a Dois Disjuntores (BD2D)
   • 4.7 Matriz Técnico-Econômica Comparativa e Modelagem Probabilística de Confiabilidade
5. 🏭 5. Estudo de Caso Prático e Aplicação Numérica Completa
6. 📝 6. Banco de Questões de Fixação e Concursos Auditados
   • Questão 01 — Continuidade Operacional e Manobra no Arranjo BD 1 1/2 D
   • Questão 02 — Roteiro de Manobra de Transferência em Subestação BPT
   • Questão 03 — Análise de Confiabilidade de Barramento pelo Método dos Cortes Mínimos
   • Questão 04 — Seleção de Arranjo segundo Requisitos dos Procedimentos de Rede do ONS
   • Questão 05 — Limitações do Barramento em Anel sob Contingências Simultâneas
7. 📚 7. Referências Bibliográficas e Normas Técnicas

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🧭 1. Contextualização e Objetivos de Aprendizagem

A escolha da topologia de barramentos de uma subestação de alta ou extra-alta tensão é a decisão arquitetural mais crítica de um projeto eletroenergético. O arranjo físico e unifilar dos barramentos determina a flexibilidade operativa, a facilidade de intervenção para manutenção de disjuntores e seccionadoras sem interrupção de fluxo, o desempenho sob contingências de falta e o custo global do ciclo de vida (Capex e Opex) da instalação.

No Sistema Interligado Nacional (SIN), o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) estabelece exigências mínimas compulsórias nos Procedimentos de Rede: subestações de $500\text{ kV}$ que interligam grandes blocos de geração à Rede Básica devem obrigatoriamente adotar esquemas que garantam a continuidade ininterrupta de fornecimento mesmo sob a perda ou manutenção de qualquer disjuntor.

Ao concluir esta aula, o estudante estará apto a:

1. Compreender e diagramar os principais esquemas unifilares de barramento: Barramento Simples, Barra Principal e Transferência (BPT), Barramento Duplo a Um Disjuntor (BD1D), Barramento em Anel (Ring Bus) e Barramento Duplo a Disjuntor e Meio (BD 1 1/2 D).
2. Executar a análise de manobras operacionais, detalhando o passo a passo de transferência de carga e isolamento de disjuntores sem causar deslastre no sistema.
3. Avaliar quantitativamente a confiabilidade, aplicando a modelagem de disponibilidade e o método dos cortes mínimos (minimal cut sets).
4. Dimensionar a relação de equipamentos por vão (bay), justificando a escolha da melhor topologia frente aos requisitos técnicos do ONS e restrições orçamentárias.

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📋 2. Sumário Executivo dos Tópicos

• Barramento Simples (BS): Concepção econômica elementar; 1 disjuntor por circuito; indisponibilidade total sob defeito na barra ou manutenção do disjuntor; seccionamento intermediário como mitigação.
• Barra Principal e Transferência (BPT): 1 barra principal de operação e 1 barra auxiliar de transferência conectadas por um vão de transferência; viabiliza manutenção de qualquer disjuntor sem desligar o circuito.
• Barramento Duplo a Um Disjuntor (BD1D): Duas barras principais (A e B) com chave seletora em cada circuito e disjuntor de interligação (bus-tie); permite operação em ilhas e manutenção de barra, mas a manutenção do disjuntor da linha desliga o circuito.
• Barramento Duplo a Disjuntor e Meio (BD 1 1/2 D): Padrão mandatório pelo ONS para subestações de $500\text{ kV}$; 3 disjuntores para cada 2 circuitos agrupados em “diâmetros”; máxima confiabilidade, manutenção livre de qualquer disjuntor sem qualquer transferência e isolamento seletivo de faltas em barra.
• Barramento em Anel (Ring Bus): Disjuntores dispostos em anel fechado com saídas intercaladas; 1 disjuntor por circuito com alta flexibilidade; risco de abertura do anel em duas seções sob faltas combinadas.
• Matriz Comparativa: Análise de Capex relativo (de $1,0$ no BS a $2,1$ no BD 1 1/2 D), área de solo exigida e disponibilidade probabilística.

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📐 3. Diagrama Esquemático: Arranjos de Barramentos em Alta Tensão

O diagrama técnico abaixo apresenta a síntese gráfica das topologias de barramento mais empregadas na engenharia de subestações:

Análise Funcional dos Quatro Módulos do Sistema:

1. Barramento Simples e BPT (Painel Superior Esquerdo): Ilustra a evolução do barramento simples (baixo custo, zero redundância) para a topologia de Barra Principal e Transferência (BPT), que introduz uma barra auxiliar e um disjuntor de transferência para manter o circuito alimentado durante manutenções preventivas.
2. Barramento Duplo a Um Disjuntor - BD1D (Painel Superior Direito): Mostra a estrutura com duas barras ativas (Barra A e Barra B) interligadas por um disjuntor tie, permitindo transferir saídas de uma barra para outra via chaves seccionadoras seletoras sem interromper o serviço.
3. Barramento Duplo a Disjuntor e Meio - BD 1 1/2 D (Painel Inferior Esquerdo): Exibe a consagrada arquitetura de 3 disjuntores por “diâmetro”, alimentando duas linhas ou transformadores. Destaca a independência operacional absoluta: qualquer disjuntor pode ser isolado para manutenção sem afetar nenhum circuito.
4. Barramento em Anel e Matriz Comparativa (Painel Inferior Direito): Compara o custo de implantação relativo e a flexibilidade operativa entre todas as topologias, fornecendo subsídios quantitativos para a tomada de decisão em projetos do SIN.

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⚡ 4. Fundamentação Teórica e Modelagem Matemática Rigorosa

4.1 Critérios de Projeto: Confiabilidade, Flexibilidade e Custo

Na concepção do arranjo físico de uma subestação de alta tensão, o engenheiro eletricista deve equilibrar quatro vetores fundamentais conflitantes:

1. Segurança e Continuidade Operativa: Capacidade do sistema em manter as linhas de transmissão e transformadores em serviço durante e após contingências de curto-circuito (obediência ao Critério N-1 do ONS);
2. Flexibilidade de Manutenção: Possibilidade de desenergizar qualquer equipamento primário (em especial os disjuntores, que demandam revisões mecânicas periódicas) sem necessidade de desligar o circuito correspondente;
3. Custo de Implantação e Área Ocupada (Capex): Custo de aquisição de disjuntores, seccionadoras, pórticos metálicos, fundações civis, área de desapropriação de terra e malha de aterramento;
4. Simplicidade dos Sistemas de Proteção: Esquemas de barramento complexos exigem relés de proteção diferencial de barra (87B), esquemas de falha de disjuntor (50BF) e religamentos automáticos multipolares sofisticados.

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4.2 Barramento Simples (BS) e Simples Seccionado

Barramento Simples (BS)

• Topologia: Todos os circuitos de entrada e saída conectam-se a uma única barra coletora comum através de um disjuntor e de suas respectivas chaves seccionadoras.
• Relação de Equipamentos por Vão: $1\text{ disjuntor}$ e $2\text{ seccionadoras}$ por circuito.
• Vulnerabilidade Operacional:
  • Qualquer curto-circuito na barra desliga todos os circuitos da subestação através da atuação da proteção instantânea 50/51 ou diferencial 87B;
  • A manutenção no disjuntor de um circuito impõe o desligamento compulsório daquele circuito durante todo o período da intervenção.
• Aplicação: Restrito a pequenas subestações industriais ou subestações de distribuição rural em $13,8\text{ kV}$ e $34,5\text{ kV}$, onde paradas programadas de carga são toleráveis.

Barramento Simples Seccionado

• Topologia: A barra única é dividida em duas ou mais seções interligadas por um disjuntor de seccionamento (bus-tie) acompanhado de duas seccionadoras.
• Ganho Operativo: Uma falta em uma das seções desliga apenas os circuitos daquela seção; a outra metade da subestação permanece 100% energizada e em operação.

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4.3 Barramento Principal e Transferência (BPT)

O arranjo BPT foi concebido historicamente para resolver o grande calcanhar de aquiles do barramento simples: a impossibilidade de realizar manutenção no disjuntor de um circuito sem desligar a linha.

sequenceDiagram
    autonumber
    participant D_transf as Disjuntor Transferência (52T)
    participant Sec_transf as Seccionadora Transferência (89T)
    participant D_linha as Disjuntor da Linha (52L)
    participant Sec_linha as Seccionadoras da Linha (89L)

    Note over D_transf,Sec_linha: Manobra para Transferência sem Interrupção de Carga
    D_transf->>D_transf: Fecha Disjuntor de Transferência (Energiza Barra de Transferência)
    Sec_transf->>Sec_transf: Fecha Seccionadora de Transferência do Vão da Linha
    Note over D_transf,D_linha: Linha agora é alimentada em paralelo por 52L e 52T
    D_linha->>D_linha: Dispara e Abre Disjuntor da Linha (52L)
    Sec_linha->>Sec_linha: Abre Seccionadoras de Barra e Linha de 52L (Isolamento Físico)
    Note over D_transf: 52T assume integralmente a proteção e corrente da linha
#### Roteiro Operacional de Manobra no BPT:
1. O disjuntor de transferência ($52T$) é fechado previamente para energizar a barra auxiliar de transferência e testar sua integridade dielétrica;
2. Fecha-se a seccionadora de transferência ($89T$) da linha que passará por manutenção. A linha passa a ser alimentada simultaneamente por dois caminhos em paralelo: seu disjuntor próprio ($52L$) e o disjuntor de transferência ($52T$);
3. Abre-se o disjuntor da linha ($52L$), transferindo toda a corrente de carga para o disjuntor de transferência ($52T$);
4. Abrem-se as seccionadoras de barra e de linha de $52L$, garantindo o isolamento físico seguro para a equipe de manutenção.

> [!warning] Limitação Estrutural do BPT
> 
> Embora o BPT permita a manutenção de qualquer disjuntor sem desligar o circuito, ele **não possui redundância de barramento**: um curto-circuito na barra principal causa a perda total de todos os circuitos conectados à subestação.

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### 4.4 Barramento Duplo a Um Disjuntor (BD1D) e com Barra de Transferência

#### Barramento Duplo a Um Disjuntor (BD1D)
- **Topologia:** Dois barramentos principais independentes (Barra 1 e Barra 2), interligados por um vão de amarração com disjuntor *tie* ($52T$). Cada circuito possui um disjuntor conectado a ambas as barras através de um par de chaves seccionadoras seletoras ($89A$ e $89B$).
- **Flexibilidade:** Permite transferir todos os circuitos da Barra 1 para a Barra 2 (sem desligamento, com manobra em paralelo pelo disjuntor *tie*) para realizar manutenção completa em uma das barras.
- **Limitação:** A manutenção no disjuntor de uma linha continua exigindo o desligamento daquela linha (a menos que se utilize o disjuntor de amarração em esquemas especiais de *bypass* ou se adicione uma terceira barra como barra de transferência: o arranjo **BD + BT**).

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### 4.5 Barramento Duplo a Disjuntor e Meio (BD 1 1/2 D)

O arranjo **Barramento Duplo a Disjuntor e Meio** é o arranjo consagrado internacionalmente e **obrigatório segundo os Procedimentos de Rede do ONS para subestações de $500\text{ kV}$** da Rede Básica do SIN.mermaid
graph TD
    classDef bus fill:#f38ba8,stroke:#11111b,stroke-width:2px,color:#11111b,font-weight:bold;
    classDef cb fill:#1e1e2e,stroke:#89b4fa,stroke-width:2px,color:#cdd6f4;
    classDef cbm fill:#1e1e2e,stroke:#f9e2af,stroke-width:2px,color:#f9e2af;
    classDef line fill:#181825,stroke:#a6e3a1,stroke-width:2px,color:#a6adc8;

    BarraA["BARRAMENTO A (500 kV)"]:::bus
    BarraB["BARRAMENTO B (500 kV)"]:::bus

    BarraA --- CB_A["Disjuntor de Barra 52A"]:::cb
    CB_A --- No1["Nó de Conexão 1"]
    No1 --- Linha1["Circuito 1 (LT ou Trafo)"]:::line
    No1 --- CB_M["Disjuntor Central / Meio 52M"]:::cbm
    CB_M --- No2["Nó de Conexão 2"]
    No2 --- Linha2["Circuito 2 (LT ou Trafo)"]:::line
    No2 --- CB_B["Disjuntor de Barra 52B"]:::cb
    CB_B --- BarraB

Anatomia do “Diâmetro” do BD 1 1/2 D:

Cada vão transversal (“diâmetro”) conecta a Barra A à Barra B através de três disjuntores em série, alimentando dois circuitos independentes (linhas de transmissão ou bancos de transformadores).

• Razão de disjuntores por circuito: $$\text{Raza˜o}=\frac{3\text{ disjuntores}}{2\text{ circuitos}}=1,5\text{ disjuntores/circuito}$$

Vantagens Operacionais Insuperáveis:

1. Manutenção Livre de Qualquer Disjuntor: Para intervir no disjuntor de barra $52A$, basta abri-lo e isolá-lo. O Circuito 1 continuará operando normalmente alimentado pela Barra B através do disjuntor central $52M$ e do disjuntor $52B$. Não há necessidade de manobras de transferência nem intervenção em relés.
2. Imunidade Absoluta a Faltas em Barra: Se ocorrer um curto-circuito na Barra A, a proteção diferencial 87B abre todos os disjuntores de barra $52A$ dos diâmetros. Nenhum circuito da subestação é desligado, pois todos continuam supridos pela Barra B através dos disjuntores centrais $52M$.
3. Seletividade e Proteção: Cada diâmetro possui TCs montados em ambos os lados de cada disjuntor, delimitando zonas de proteção sobrepostas para as linhas e barras.

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4.6 Barramento em Anel (Ring Bus) e Duplo a Dois Disjuntores (BD2D)

Barramento em Anel (Ring Bus)

• Topologia: Os disjuntores são conectados em série formando um anel fechado. Os circuitos de linha e transformadores derivam dos nós situados entre cada par de disjuntores adjacentes.
• Relação: $1\text{ disjuntor por circuito}$.
• Comportamento Operativo:
  • Para retirar um disjuntor para manutenção, basta abri-lo e isolá-lo com suas seccionadoras. O anel “abre”, mas todos os circuitos continuam energizados pelos dois ramos do anel remanescente;
  • Uma falta em uma linha abre os dois disjuntores adjacentes, isolando apenas aquela linha sem perturbar os demais circuitos.
• Desvantagem Crítica: Se ocorrer uma segunda falta enquanto um disjuntor estiver aberto para manutenção, o anel é seccionado em duas partes independentes (split de barra), podendo ilhar geradores ou provocar blecautes locais. Por isso, limita-se a um máximo de $6\text{ a }8\text{ circuitos}$.

Barramento Duplo a Dois Disjuntores (BD2D)

• Topologia: Dois barramentos principais e cada circuito possui dois disjuntores dedicados ($2,0\text{ disjuntores/circuito}$).
• Apresenta o mais alto nível de confiabilidade do setor elétrico, mas seu custo de implantação astronômico restringe sua aplicação a usinas nucleares críticas ou subestações estratégicas de alimentação de capitais.

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4.7 Matriz Técnico-Econômica Comparativa e Modelagem Probabilística de Confiabilidade

Tabela Comparativa Global de Arranjos de Barramento

Topologia de Barramento	Disjuntores / Circuito	Seccionadoras / Circuito	Custo Relativo de Equipamentos	Consequência de Falha na Barra	Consequência de Manutenção no Disjuntor
Barramento Simples (BS)	$1,0$	$2,0$	$1,0$ (Base)	Desligamento total da subestação	Desliga o circuito obrigatoriamente
Simples Seccionado	$1,0+\text{tie}$	$2,0$	$1,15$	Desliga metade da subestação	Desliga o circuito
Barra e Transferência (BPT)	$1,0+1$	$3,0$	$1,30$	Desligamento total da subestação	Circuito transferido sem desligar
Barramento Duplo a 1 Disj. (BD1D)	$1,0+1$	$4,0$	$1,50$	Desliga apenas a barra defeituosa	Desliga o circuito
Barramento em Anel (Ring Bus)	$1,0$	$2,0$	$1,25$	Não há barra; isola o trecho em anel	Abre o anel; circuitos continuam ativos
Disjuntor e Meio (BD 1 1/2 D)	$1,5$	$4,5$	$2,10$	Zero desligamento de circuitos	Zero desligamento de circuitos
Duplo a 2 Disjuntores (BD2D)	$2,0$	$4,0$	$2,50$	Zero desligamento de circuitos	Zero desligamento de circuitos

Modelagem de Confiabilidade e Disponibilidade

A confiabilidade de um barramento é avaliada pela taxa de falhas $\lambda$ (falhas/ano) e pelo tempo médio de reparo $r=MTTR$ (horas).

A probabilidade de indisponibilidade forçada ($U$) e disponibilidade ($A$) de um arranjo com tempo médio entre falhas $m=MTBF=1/\lambda$ é modelada por:

$$U=\frac{\lambda \cdot r}{1+\lambda \cdot r}\approx \lambda \cdot r(\text{para }\lambda \cdot r\ll 1)$$ $$A=1-U=\frac{MTBF}{MTBF+MTTR}$$

Pelo método dos Cortes Mínimos (Minimal Cut Sets), uma topologia de Barramento Simples possui cortes mínimos de Ordem 1 (a falha de um único componente derruba o sistema). O arranjo BD 1 1/2 D possui cortes de Ordem 2 e Ordem 3, o que reduz a taxa anual de indisponibilidade de circuitos por fatores superiores a $100$ vezes.

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🏭 5. Estudo de Caso Prático e Aplicação Numérica Completa

Projeto de Subestação de 500 kV da Rede Básica com 6 Vãos

Uma nova subestação de transmissão em $500\text{ kV}$ será implantada no Nordeste para receber a geração de parques eólicos e solares e interligar-se ao SIN. O projeto prevê a conexão de:

• $4\text{ Linhas de Transmissa˜o}$ em $500\text{ kV}$;
• $2\text{ Bancos de Autotransformadores}$ de $500/230\text{ kV}$ ($S_n=3\times 250\text{ MVA}=750\text{ MVA}$). Total de circuitos a interligar: $N=6\text{ circuitos}$.

Os dados estatísticos de confiabilidade de equipamentos fornecidos pelo ONS são:

• Taxa de falha de disjuntor de $500\text{ kV}$: ${\lambda }_D=0,03\text{ falhas/ano}$; $MTT{R}_D=48\text{ horas}$;
• Taxa de falha de barra de $500\text{ kV}$ (trecho): ${\lambda }_B=0,01\text{ falhas/ano}$; $MTT{R}_B=24\text{ horas}$;
• Frequência de manutenção programada de disjuntor: $f_m=0,20\text{ manutenc¸o˜es/ano}$ ($1$ vez a cada 5 anos) com duração média de $d_m=72\text{ horas}$.

A diretoria técnica solicita a avaliação comparativa entre:

• Arranjo A: Barramento Duplo a Um Disjuntor (BD1D);
• Arranjo B: Barramento Duplo a Disjuntor e Meio (BD 1 1/2 D).

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Memorial de Cálculo Analítico

1. Dimensionamento Quantitativo de Equipamentos

Para o Arranjo A — BD1D (6 Circuitos):

• Número de disjuntores de vãos de linha/trafo: $6\text{ unidades}$;
• Número de disjuntores de interligação de barras (tie): $1\text{ unidade}$;
• Total de Disjuntores BD1D: $6+1=7\text{ disjuntores}$;
• Seccionadoras por circuito: $2\text{ seletoras de barra}+1\text{ de linha}=3\text{ seccionadoras/circuito}⟹6\times 3=18$;
• Seccionadoras do vão tie: $2\text{ unidades}$;
• Total de Seccionadoras BD1D: $18+2=20\text{ seccionadoras}$.

Para o Arranjo B — BD 1 1/2 D (6 Circuitos): Os 6 circuitos são agrupados em diâmetros contendo 2 circuitos cada:

$$N_{\text{diaˆmetros}}=\frac{6\text{ circuitos}}{2\text{ circuitos/diaˆmetro}}=3\text{ diaˆmetros}$$

• Cada diâmetro possui 3 disjuntores: $$\text{Total de Disjuntores BD 1 1/2 D}=3\text{ diaˆmetros}\times 3\text{ disjuntores}=9\text{ disjuntores}$$
• Cada disjuntor possui 2 seccionadoras de isolamento: $$\text{Seccionadoras dos disjuntores}=9\times 2=18\text{ seccionadoras}$$
• Cada saída de linha/trafo possui 1 seccionadora de linha com lâmina de terra: $$\text{Seccionadoras de linha}=6\times 1=6\text{ seccionadoras}$$
• Total de Seccionadoras BD 1 1/2 D: $18+6=24\text{ seccionadoras}$.

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2. Análise de Confiabilidade e Indisponibilidade de Circuito por Manutenção

Calculemos as horas anuais de indisponibilidade forçada ou programada de uma das linhas de transmissão decorrentes da manutenção de disjuntores:

• No Arranjo BD1D: Como o disjuntor de linha é exclusivo, a sua manutenção programada ($72\text{ horas}$) desliga compulsoriamente a linha conectada:

  $$H_{\text{indisp,BD1D}}=f_m\times d_m=0,20\times 72\text{ h}=14,4\text{ horas/ano de linha desligada}$$

  Considerando o valor da energia não transmitida ($ENS$) de $750\text{ MW}$ a \text{R\ } 250/\text{MWh}$:

  $$\text{Custo Anual de Parada}=750\text{ MW}\times 14,4\text{ h}\times \text{R\$ }250=R\$\mathrm{2.700.000},00/\text{ano por linha}$$

  Para as 4 linhas, o prejuízo anual atinge \text{R\ } 10.800.000{,}00$.

• No Arranjo BD 1 1/2 D: Durante a manutenção de qualquer disjuntor (seja de barra ou central), a linha é mantida 100% energizada através do segundo disjuntor do diâmetro:

  $$H_{\text{indisp,BD 1 1/2 D}}=0,0\text{ horas/ano}$$ $$\text{Prejuıˊzo de Parada por Manutenc¸a˜o}=R\$0,00$$

Conclusão Técnica do Estudo de Caso: O acréscimo de investimento de apenas 2 disjuntores adicionais no arranjo BD 1 1/2 D ($9$ disjuntores contra $7$ no BD1D, acréscimo de Capex estimado em \text{R\ } 12\text{ milhões}$)\acute{e}amortizadoem\ast \ast poucomaisde1anodeopera\stackrel{\backslash c}{c}\tilde{a}o\ast \ast ,justificandointegralmenteadetermina\stackrel{\backslash c}{c}\tilde{a}odoONSparaopadr\tilde{a}oBD11/2Dem$500\text{ kV}$.

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📝 6. Banco de Questões de Fixação e Concursos Auditados

Questão 01 — Continuidade Operacional e Manobra no Arranjo BD 1 1/2 D

(Concurso Eletrobras / Furnas — Engenheiro Eletricista)

Em uma subestação de $500\text{ kV}$ operando com arranjo de Barramento Duplo a Disjuntor e Meio (BD 1 1/2 D), um dos diâmetros é composto por três disjuntores ($52-1$, $52-2$ e $52-3$) e alimenta duas linhas de transmissão ($L{T}_A$ e $L{T}_B$). O disjuntor $52-1$ é ligado à Barra A, o disjuntor $52-3$ é ligado à Barra B, e o disjuntor $52-2$ é o disjuntor central (de amarração). Se for necessário realizar uma manutenção programada preventiva de longa duração no disjuntor $52-1$: A) Ambas as linhas $L{T}_A$ e $L{T}_B$ devem ser obrigatoriamente desligadas durante toda a manutenção. B) A linha $L{T}_A$ será desligada, enquanto a linha $L{T}_B$ continuará operando normalmente pela Barra B. C) O disjuntor $52-1$ pode ser aberto e isolado por suas seccionadoras, e a linha $L{T}_A$ continuará operando sem qualquer interrupção, alimentada pela Barra B através dos disjuntores $52-2$ e $52-3$. D) Deve-se transferir a linha $L{T}_A$ para a barra de transferência através de um disjuntor de transferência auxiliar antes de abrir o disjuntor $52-1$. E) Ocorrerá sobretensão na Barra A devido à assimetria do diâmetro, exigindo descarte de cargas na usina geradora.

Resolução Analítica Passo a Passo

No arranjo BD 1 1/2 D, cada nó de conexão de circuito situa-se entre dois disjuntores:

• O nó da linha $L{T}_A$ situa-se entre o disjuntor de barra $52-1$ e o disjuntor central $52-2$;
• O nó da linha $L{T}_B$ situa-se entre o disjuntor central $52-2$ e o disjuntor de barra $52-3$.

Ao abrir e isolar o disjuntor $52-1$, o fluxo de potência da linha $L{T}_A$ flui diretamente através do disjuntor central $52-2$ e do disjuntor de barra $52-3$ conectado à Barra B. Consequentemente, nenhuma das duas linhas sofre qualquer interrupção de fornecimento, dispensando barras de transferência ou manobras complexas.

Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa C.

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Questão 02 — Roteiro de Manobra de Transferência em Subestação BPT

(Concurso CHESF — Engenharia de Operação / CESPE)

Em uma subestação de transmissão com arranjo de Barra Principal e Transferência (BPT), deseja-se retirar de serviço para manutenção corretiva o disjuntor da Linha 1 sem desenergizar a referida linha. Considere as seguintes ações de manobra:

1. Fechar a chave seccionadora de transferência do vão da Linha 1;
2. Fechar o disjuntor de transferência (interligando a barra principal à de transferência);
3. Abrir o disjuntor próprio da Linha 1;
4. Abrir as chaves seccionadoras de barra e de linha do disjuntor próprio da Linha 1.

A sequência lógica e segura que garante a continuidade ininterrupta do suprimento é: A) 1 $\to$ 2 $\to$ 3 $\to$ 4 B) 2 $\to$ 1 $\to$ 3 $\to$ 4 C) 3 $\to$ 2 $\to$ 1 $\to$ 4 D) 2 $\to$ 3 $\to$ 1 $\to$ 4 E) 4 $\to$ 1 $\to$ 2 $\to$ 3

Resolução Analítica Passo a Passo

A sequência operativa obrigatória de engenharia em subestações BPT obedece a:

1. Ação 2: Fechar primeiro o disjuntor de transferência para energizar a barra de transferência, comprovando que esta não está em curto-circuito e equalizando os potenciais das barras;
2. Ação 1: Com as duas barras no mesmo potencial, fecha-se a seccionadora de transferência do vão da Linha 1 sem arco elétrico perigoso; a linha passa a ser suprida em paralelo por dois disjuntores;
3. Ação 3: Abre-se o disjuntor próprio da Linha 1; o disjuntor de transferência assume 100% da corrente de carga;
4. Ação 4: Abrem-se as seccionadoras de isolamento do disjuntor próprio da Linha 1, liberando-o com segurança física e visual para a equipe de manutenção.

Ordem correta: 2 $\to$ 1 $\to$ 3 $\to$ 4.

Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa B.

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Questão 03 — Análise de Confiabilidade de Barramento pelo Método dos Cortes Mínimos

(Concurso ONS — Engenheiro Especialista em Planejamento da Operação)

Na análise de confiabilidade de arranjos de subestação, um “corte mínimo” (minimal cut set) representa um conjunto mínimo de equipamentos cuja falha simultânea provoca a desconexão de um circuito ou a perda de uma barra. Comparando-se os arranjos Barramento Simples (BS) e Barramento Duplo a Disjuntor e Meio (BD 1 1/2 D): A) O arranjo BS possui apenas cortes mínimos de ordem 3, sendo mais confiável que o BD 1 1/2 D. B) O arranjo BS possui cortes mínimos de ordem 1 para a perda de circuitos, pois a falha da barra única ou do disjuntor da linha provoca a perda imediata do suprimento. C) O arranjo BD 1 1/2 D possui corte mínimo de ordem 1 associado à barra A. D) Ambos os arranjos apresentam rigorosamente a mesma probabilidade de indisponibilidade de circuitos frente a descargas atmosféricas nos barramentos. E) No arranjo BD 1 1/2 D, a perda simultânea de dois disjuntores em diâmetros distintos causa sempre o desligamento de toda a subestação.

Resolução Analítica Passo a Passo

• No Barramento Simples (BS), a barra única é um componente em série de confiabilidade: a sua falha simples (falha singular, Ordem 1) desliga imediatamente todos os circuitos da instalação. Da mesma forma, a falha do disjuntor de linha causa a perda do respectivo circuito.
• No BD 1 1/2 D, a perda de uma barra não desconecta nenhum circuito (corte de ordem superior), e para isolar uma linha por falha de disjuntores é necessária a falha simultânea de dois disjuntores no mesmo diâmetro (falha de Ordem 2).

Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa B.

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Questão 04 — Seleção de Arranjo segundo Requisitos dos Procedimentos de Rede do ONS

(Concurso Eletrobras / Eletronorte — Engenharia de Subestações)

De acordo com as diretrizes de projeto estabelecidas no Submódulo 2.2 dos Procedimentos de Rede do ONS para instalações conectadas à Rede Básica: A) O arranjo de Barramento Simples é aceito para subestações de $500\text{ kV}$ desde que a potência total seja inferior a $2.000\text{ MVA}$. B) As subestações de $230\text{ kV}$ e $500\text{ kV}$ devem preferencialmente adotar arranjos que permitam a manutenção de qualquer disjuntor sem corte de carga, sendo o arranjo em Disjuntor e Meio (BD 1 1/2 D) o padrão consagrado para instalações de $500\text{ kV}$. C) A topologia em Anel é mandatória para subestações de grande porte com mais de 12 saídas de linhas de transmissão. D) O uso de chaves seccionadoras motorizadas é expressamente proibido pelo ONS devido ao risco de manobra acidental. E) Subestações de transmissão da Rede Básica dispensam disjuntores nos vãos de autotransformadores de força.

Resolução Analítica Passo a Passo

O Submódulo 2.2 do ONS estipula que as subestações integrantes da Rede Básica (especialmente em $500\text{ kV}$) devem possuir elevada confiabilidade e imunidade operacional contra manutenções preventivas e contingências simples. O padrão estabelecido e homologado é o arranjo Barramento Duplo a Disjuntor e Meio (BD 1 1/2 D). Em $230\text{ kV}$, aceitam-se arranjos como BPT, BD1D ou BD 1 1/2 D conforme o porte e a importância sistêmica do nó.

Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa B.

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Questão 05 — Limitações do Barramento em Anel sob Contingências Simultâneas

(Concurso CEMIG — Engenharia de Planejamento da Expansão)

Uma subestação com arranjo de Barramento em Anel (Ring Bus) possui 6 circuitos alternados (3 entradas de linhas de transmissão e 3 saídas para transformadores). Durante uma intervenção programada, o disjuntor entre a Linha 1 e o Trafo 1 encontra-se aberto e isolado por suas seccionadoras. Se nesse instante ocorrer um curto-circuito franco na Linha 2, a atuação correta da proteção da Linha 2 provocará: A) A reignição instantânea do disjuntor que estava em manutenção. B) A abertura dos dois disjuntores adjacentes à Linha 2, provocando o seccionamento do anel em duas partes abertas e o isolamento forçado da Linha 2. C) O desligamento imediato de todos os 6 circuitos da subestação por curto trifásico generalizado. D) A reversão da polaridade de todos os transformadores de instrumentos conectados ao anel. E) A destruição térmica da malha de aterramento da subestação.

Resolução Analítica Passo a Passo

No Barramento em Anel:

1. Um disjuntor já se encontrava aberto (anel operando temporariamente como uma barra aberta linear);
2. Quando ocorre a falta na Linha 2, seus dois disjuntores adjacentes abrem para isolar o defeito;
3. Como o anel já possuía uma abertura prévia decorrente da manutenção, a abertura dos outros dois disjuntores divide a subestação em dois trechos elétricos completamente isolados entre si (split de anel);
4. Dependendo do balanço de geração e carga em cada segmento, podem surgir sobrecargas térmicas severas ou ilhamentos de geradores, revelando a fragilidade do anel frente a contingências duplas combinadas com manutenção.

Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa B.

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📚 7. Referências Bibliográficas e Normas Técnicas

1. ONS — Operador Nacional do Sistema Elétrico. Procedimentos de Rede: Submódulo 2.2 — Requisitos Mínimos para Conexão à Rede Básica. Rio de Janeiro: ONS, 2021.
2. MAMEDE FILHO, João. Subestações de Alta Tensão. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018.
3. D’AJUZ, Ary et al. Subestações de Alta Tensão: Arranjos e Equipamentos. Rio de Janeiro: Furnas, 1985.
4. IEEE Std C37.100.1-2018 — IEEE Standard of Common Requirements for High Voltage Power Switchgear. New York: IEEE.
5. BILLINTON, Roy; ALLAN, Ronald N. Reliability Evaluation of Power Systems. 2. ed. New York: Plenum Press, 1996.
6. KUNDUR, Prabha. Power System Stability and Control. New York: McGraw-Hill, 1994.