BR102015023940B1

BR102015023940B1 - Método de controle adaptativo para religamento tripolar de linhas compensadas submetidas a faltas internas

Info

Publication number: BR102015023940B1
Application number: BR102015023940-8A
Authority: BR
Inventors: Maria Cristina Dias Tavares; Patricia Mestas Valero
Original assignee: Universidade Estadual De Campinas - Unicamp
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2022-03-03
Also published as: WO2017045044A1; BR102015023940A2

Abstract

MÉTODO DE CONTROLE ADAPTATIVO PARA RELIGAMENTO TRIPOLAR DE LINHAS COMPENSADAS SUBMETIDAS A FALTAS INTERNAS. A presente invenção se refere a um método capaz de identificar o instante de extinção da falta e o subsequente instante ótimo para o religamento tripolar de uma linha de transmissão com compensação reativa em derivação após uma condição de falta monofásica interna. O instante ótimo de religamento corresponde à região do mínimo do batimento da tensão entre os contatos do disjuntor após a extinção da falta. O religamento nesta condição permite reduzir as sobretensões de religamento e reduzir o tempo da linha fora de serviço se o instante ótimo para religamento for menor do que o tempo morto pré-estabelecido. Adicionalmente o presente método aumenta a confiabilidade da manobra de religamento tripolar por impedir o religamento sob falta.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[1] A presente invenção se refere a um método capaz de identificar o instante de extinção da falta e o subsequente instante ótimo para religamento t ri polar de uma linha de transmissão com compensação reativa em derivação após uma condição de falta monofásica, reduzindo as sobretensões e aumentando a segurança e confiabilidade da manobra.

[2] O método se aplica na área de energia elétrica, com foco nos sistemas de transmissão de energia elétrica e especialmente na ocorrência de faltas e operações de religamento tripolar em linhas de transmissão longas de extra e ultra alta tensão. Se aplica a linhas de transmissão aéreas, subterrâneas ou mistas, todas com compensação reativa em derivação.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO E ESTADO DA TÉCNICA

[3] Tradicionalmente utilizam-se duas modalidades distintas de religamento automático das linhas de transmissão de extra e ultra alta tensão alimentadas em corrente alternada: o religamento monopolar e o religamento tripolar. No esquema de religamento monopolar, a eliminação dos defeitos monofásicos é feita através da abertura apenas da fase sob falta (abertura monopolar). Para conclusão da manobra, depois de decorrido o tempo morto fixo faz-se o religamento apenas da fase que foi efetivamente desligada. Durante o período da manobra monopolar permanecem em serviço as fases sãs do circuito, sem que ocorra a interrupção total do fluxo de energia na linha. No esquema de religamento tripolar, a eliminação do defeito em uma ou mais fases ocorre em função da abertura das três fases da linha de transmissão (abertura tripolar). Decorrido um tempo morto fixo predeterminado, a manobra é concluída com a energização das três fases do terminal líder e o subsequente fechamento do terminal seguidor.

[4] As linhas de transmissão de alta e extra alta tensão alimentadas em corrente alternada, especificamente as linhas longas, geram grandes quantidades de potência reativa capacitiva quando operam em vazio ou em condições de carga leve. Esta energia reativa deve ser controlada, já que pode provocar grandes sobretensões em regime permanente nos terminais dos equipamentos conectados ao sistema de potência. Os reatores em derivação compensam a potência reativa capacitiva e reduzem as sobretensões durante condições de carga leve e em vazio.

[5] Quando a linha é compensada com reatores em derivação, o grau de compensação tem um efeito importante na forma de onda de tensão entre os contatos do disjuntor. Devido ao circuito formado entre a capacitância transversal da linha e a indutância dos reatores em derivação, a tensão entre os contatos do disjuntor assume forma oscilatória (batimento) pela composição da frequência fundamental do sistema de um lado do contato do disjuntor com a frequência natural da linha e dos equipamentos de compensação do outro lado do contato do disjuntor.

[6] O religamento tripolar de linhas de transmissão ocorre em função das condições do sistema, que pode ser de duas formas: quando a abertura dos contatos do disjuntor ocorre sem falta na linha, ou seja, devido a um defeito externo, ou uma operação indevida decorrente de uma abertura sem defeito, e quando a abertura ocorre após uma falta na linha de transmissão.

[7] A abertura tripolar sem falta ou em condições de defeito externo é comum quando valores elevados de sobretensões de chaveamento podem ser erroneamente interpretados como falta por algum relê de proteção, resultando na saída da linha. Outro exemplo ocorre no caso de linhas de transmissão em circuito duplo quando os transitórios de chaveamento de uma das linhas podem se acoplar na outra linha, o que também podem conduzir a uma operação incorreta da proteção. Esta condição também pode ser devida a uma rejeição de carga seguida do desligamento de linha ou durante a recomposição do sistema elétrico após o desligamento de uma grande área. Embora os dispositivos de proteção modernos sejam projetados para cuidar destas situações, muitas vezes ocorrem falhas e o chaveamento controlado permite maior qualidade e confiabilidade do sistema, resultando no incremento da disponibilidade da linha de transmissão. Nos casos de abertura tripolar sem defeito interno, a tensão entre os contatos do disjuntor apresenta um batimento definido, sendo a forma de onda semelhante para as três fases, com o mesmo período e sem defasagem entre fases.

[8] Em função destas condições e levando em consideração o tempo morto para atuação da proteção, a região ótima nas ondas de tensão entre os polos do disjuntor para religar o disjuntor corresponde aos primeiros intervalos de menor amplitude do batimento da tensão. Este problema tem sido abordado no estado da técnica, como pode ser evidenciado pelo documento US8680713B2, indicado para religamento de linhas após abertura simples devido a defeitos externos. No mesmo tópico se enquadram os documentos US4724391, US7616419B2 e US7723872B2 que determinam o instante de religamento baseados no cruzamento por zero e o gradiente da onda de tensão do lado da fonte.

[9] Particularmente, o documento BR200804330A2 faz referência a um método que identifica a região ótima para o religamento tripolar de linhas de transmissão com compensação em derivação sem falta interna. A identificação se realiza em função da forma de onda entre os contatos do disjuntor. O método permite controlar as sobretensões transitórias e ajustar o tempo morto do religamento.

[10] Na segunda condição do religamento, após uma falta interna na linha de transmissão, a forma de onda da tensão entre os contatos do disjuntor apresenta aspecto irregular, não cabendo a mesma estratégia do religamento sem falta.

[11] Após a ocorrência de uma falta interna na linha de transmissão a proteção irá proceder à abertura tripolar, ou seja, das três fases da linha, isolando o trecho sob falta. Como a grande maioria das faltas que atingem as linhas de transmissão não são permanentes, após um tempo pré-definido a proteção irá religar o trecho de linha aberto para garantir a continuidade do fornecimento de energia. Se a linha for religada antes da falta ter sido extinta e os contatos do disjuntorfecharem quando a tensão entre seus contatos estiver passando no máximo do batimento, a sobretensão transitória será elevada.

[12] Quando a abertura de uma linha ocorre devido a uma falta monofásica a terra na linha de transmissão a sequência de eventos para o religamento tripolar inclui: a ocorrência da falta, abertura da linha nas três fases para isolar a seção sob falta, tempo de espera para extinção da falta e finalmente religamento da linha de transmissão. Neste caso a fase sob falta influencia o sinal das outras duas fases sãs, portanto, os sinais obtidos são muito complexos e o batimento esperado é distorcido, sendo impossível aplicar o método desenvolvido para religamento sem falta.

[13] O documento US8462474B2 faz referência a um sistema para religamento rápido de linhas de transmissão baseado no uso de relés de proteção com a função de religamento localizados em ambos terminais da linha de transmissão. Os relés são configurados para enviar o comando de fechamento do disjuntor quando a fase sob falta satisfaz a condição de religamento previamente estabelecida. O método descrito por US8744637 detecta a extinção da falta mediante uma análise da assinatura de transitórios da fase em falta. Com o mesmo efeito, US 2012/0176712 Al detecta a extinção do arco baseado no componente harmônico contido na onda de tensão da fase em falta. Por sua vez, o documento US 2008/0030912 Al detecta o instante de extinção da falta mediante a comparação de amplitudes e ângulos de tensões induzidas nas fases abertas com ajustes pré-determinados. Os documentos mencionados evidenciam a capacidade de identificação do instante em que a falta se extingue, mas não a capacidade de determinar o instante ótimo para religar.

[14] Nota-se, portanto, que não há indícios no estado da técnica de documentos que tratem do problema de determinar o instante ótimo para o religamento após a extinção de uma falta, no mínimo do batimento da tensão entre os contatos do disjuntor, comprovando a importância da presente invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[15] O presente método refere-se a otimizar o religamento tripolar em linhas de transmissão mediante a execução da manobra após a extinção da falta monofásica interna à linha. Adicionalmente, o método emite o comando para religar no instante ótimo, conseguindo assim reduzir a amplitude das sobretensões decorrentes da manobra. Adicionalmente o presente método aumenta a confiabilidade da manobra de religamento tripolar por impedir o religamento sob falta. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS Figura 1 - Diagrama mostrando a configuração do sistema elétrico, incluindo os passos gerais para a identificação do instante ótimo de religamento. Figura 2 - Diagrama de fluxo do procedimento antes e depois da verificação da extinção da falta. Figura 3 - Tensão do lado da linha da fase sob falta mostrando o instante de extinção da falta. Figura 4 - Diagrama de blocos mostrando os passos para o religamento no instante ótimo. Figura 5 - Forma de onda da tensão entre os contatos do disjuntor ou sinal de referência. Figura 6 Forma de onda do valor eficaz do sinal de referência. Figura 7 - Forma de onda após filtragem do valor eficaz do sinal de referência. Figura 8 - Identificação dos instantes de crescimento e decaimento do sinal de referência filtrado após a abertura do disjuntor. Figura 9 - Sinal de referência livre de ciclos incompletos inconvenientes. Figura 10 - Identificação de ciclos que estão em crescimento. Figura 11 Identificação do primeiro semi-ciclo Figura 12 - Gráfico que mostra o tempo de duração do primeiro semi-ciclo

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[16] O presente método refere-se à otimização do religamento tripolar em linhas de transmissão mediante a execução da manobra de religamento tripolar após a extinção da falta monofásica interna na linha. Adicionalmente, o método emite o comando para religar as fases no instante ótimo, conseguindo assim reduzir a amplitude das sobretensões decorrentes da manobra.

[17] O método compreende as seguintes etapas: A. Identificação da extinção da falta monofásica através da identificação do início do batimento na onda de tensão fase-terra do lado da linha da fase sob falta; B. Obter a forma de onda da tensão entre os contatos do disjuntor considerado o sinal de referência como resultado da diferença entre a tensão do lado da fonte e a tensão do lado da linha; C. Obter o valor eficaz do sinal de referência mediante um tratamento digital; D. Tratar o valor eficaz do sinal de referência mediante filtragem digital; E. Identificar os instantes de crescimento e decaimento do sinal filtrado após a abertura do disjuntor; F. Obter um sinal livre de ciclos incompletos inconvenientes; G. Aplicar uma função que permita considerar só os ciclos que estão em crescimento; H. Identificar o primeiro semi-ciclo após a extinção da falta e calcular a duração do primeiro semi-ciclo do sinal filtrado; I. Duplicar o valor do semi-ciclo e obter a duração do período completo do batimento; e, J. Ajustar o tempo do religamento para um valor elevado e ordenar a substituição do tempo do religamento predeterminado pelo período compreendido desde o instante de extinção do defeito até o final do primeiro batimento.

[18] Para ilustrar a invenção, um equivalente do sistema elétrico é apresentado na Figura 1, o qual compreende uma fonte trifásica ideal 11, disjuntores monofásicos 12A, 12B, 12C, instalados respectivamente para cada fase 13A, 13B, 13C da linha de transmissão 13, e reator de compensação 14. A tensão do lado da fonte é monitorada constantemente é reduzida a valores convenientes mediante Transformadores de Potencial (TPs) 15A, 15B, 15C. Da mesma forma a tensão do lado da linha é reduzida mediante os TPs 16A, 16B, 16C. A identificação do instante ótimo para o religamento de cada fase se resume na seção 100, que inclui os passos 17, 18 e 19.

[19] O método proposto primeiro identifica o instante da extinção da falta na fase afetada. A Figura 2 mostra o diagrama de fluxo do processo. Quando ocorre uma falta monofásica (21), a fase sob falta é monitorada por meio da tensão do lado da linha (VLF) (22). Este sinal por sua vez é comparado com um sinal pré-determinado (23). A extinção da falta é verificada (24). Se a falta não se extinguir dentro do tempo morto definido se procede ao bloqueio de religamento automático (25). Se a falta se extinguir, se procede à determinação do instante ótimo para o religamento (100).

[20] A extinção da falta é verificada pela aparição do batimento na onda de tensão fase-terra do lado da linha da fase sob falta, como pode-se observar na Figura 3. Logo após um tempo pré-determinado da ocorrência da falta em uma das fases (31), as três fases se abrem simultaneamente para isolar o defeito (32). O instante em que o batimento da onda de tensão da fase sob falta aparece corresponde ao instante da extinção da falta (33). Este instante é o mesmo para as três fases.

[21] O algoritmo para determinar o instante ótimo para o religamento é detalhado através do diagrama de blocos apresentado na Figura 4. Note-se que como a tensão entre os contatos do disjuntor apresenta batimentos diferentes e defasados para as três fases, o algoritmo desenvolvido deve ser aplicado a cada fase independentemente.

[22] A partir do diagrama da Figura 4 são feitas as explicações dos passos seguidos: A. Obter a forma de onda da tensão entre os contatos do disjuntor considerado o sinal de referência como resultado da diferença entre a tensão do lado da fonte e a tensão do lado da linha das fases sãs. Esta forma de onda aparece após a abertura trifásica automática que ocorre depois de um período predeterminado da identificação da ocorrência da falta. (Figura 5) B. Mediante um tratamento digital obter o valor eficaz do sinal de referência. (Figura 6) C. Tratar o valor eficaz do sinal de referência mediante filtragem digital. (Figura 7) D. A seguir identificar os instantes de crescimento e decaimento do sinal filtrado após a abertura do disjuntor. (Figura 8) E. Obter um sinal livre de ciclos incompletos inconvenientes. O instante em que a falta se extingue é aleatório e pode corresponder a qualquer ponto na onda da tensão entre os contatos do disjuntor. Devido a este fato podem aparecer ciclos com períodos curtos que impede iniciar uma lógica baseada nos períodos de crescimento e decaimento. (Figura 9) F. Aplicar uma função que permita considerar só os ciclos que estão em crescimento. Os ciclos resultantes podem estar em crescimento ou decaimento. Quando o primeiro ciclo está em crescimento, indica que o batimento está começando, e quando o primeiro ciclo está em decaimento, indica que o início do ciclo corresponde ao máximo do batimento. (Figura 10) G. Identificar o primeiro semi-ciclo após a extinção da falta (Figura 11). Com este resultado pode-se calcular a duração do primeiro semi-ciclo do sinal filtrado após a extinção da falta. (Figura 12). H. A seguir, se duplica o valor deste semi-ciclo obtendo-se a duração do período completo do batimento. O final do primeiro batimento corresponde ao instante ótimo para o religamento. I. Logo após a abertura dos contatos do disjuntor, se deve ajustar o tempo do religamento para um valor elevado, como 5 s. No instante em que o sinal lógico da identificação da duração da falta for concluído uma ordem é fornecida para que o tempo do religamento seja substituído pelo período compreendido desde a abertura do disjuntor até o final do primeiro batimento. Este valor deve ser obtido para cada fase sã e repetido para a fase sob falta.

[23] Deste modo, aplicando o método proposto na manobra de religamento consegue-se: - Detecção do instante de extinção da falta objetivando assegurar que a manobra de religamento não ocorra sob defeito e que tenha sucesso. - Determinação do instante ótimo para o religamento após a extinção da falta permitindo reduzir as sobretensões transitórias advindas da manobra. Redução do tempo morto se o tempo de religamento no instante ótimo for menor do que o tempo morto predeterminado. - Contar com uma margem de tempo para operar o disjuntor já que a detecção da região de mínimo ocorre com vários ciclos de frequência fundamental de antecedência. - Bloqueio do religamento automático se a falta não se extinguir dentro do tempo morto definido, o que indica a ocorrência de uma falta transitória muito longa ou uma falta permanente. - O método de religamento ótimo deve ser aplicado a cada fase independentemente.

[24] As figuras 4 a 12 são resultado das simulações no PSCAD, que comprovam o funcionamento do método.

[25] O processo da análise da forma de onda para determinar se a falta se extinguiu é mostrado na figura 2. O processo para determinação do instante ótimo é mostrado nas figuras 4-12.

[26] A decisão para religamento ocorre após a extinção da falta (Figura 3) e a partir desse instante no mínimo do batimento. Isto pode ocorrer antes do tempo morto normalmente predeterminado. A invenção aqui descrita não está limitada a esta concretização e, aqueles com habilidade na técnica irão perceber que, qualquer característica particular nela introduzida, deve ser entendida apenas como algo que foi descrito para facilitar a compreensão e não podem ser realizadas sem se afastar do conceito inventivo descrito. As características limitantes do objeto da presente invenção estão relacionadas às reivindicações que fazem parte do presente relatório.

Claims

1. Método para redução de sobretensões transitórias durante o religamento tripolar após ocorrência de falta monofásica caracterizado por compreender as seguintes etapas: A. Identificação da extinção da falta monofásica através da identificação do início do batimento na onda de tensão fase-terra do lado da linha da fase sob falta; B. Obter a forma de onda da tensão entre os contatos do disjuntor das fases sãs considerado o sinal de referência como resultado da diferença entre a tensão do lado da fonte e a tensão do lado da linha; C. Obter o valor eficaz do sinal de referência mediante um tratamento digital; D. Tratar o valor eficaz do sinal de referência mediante filtragem digital; E. Identificar os instantes de crescimento e decaimento do sinal filtrado após a abertura do disjuntor; F. Obter um sinal livre de ciclos incompletos inconvenientes; G. Aplicar uma função que permita considerar só os ciclos que estão em crescimento; H. Identificar o primeiro semi-ciclo após a extinção da falta e calcular a duração do primeiro semi-ciclo do sinal filtrado; I. Duplicar o valor do semi-ciclo e obter a duração do período completo do batimento; e, J. Ajustar o tempo do religamento para um valor elevado e ordenar a substituição do tempo do religamento pelo período compreendido desde a abertura do disjuntor até o final do primeiro batimento para cada fase sã; K. Repetir este valor para o religamento da fase sob falta.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que se obtém a forma de onda do batimento da tensão da diferença potencial entre os terminais do disjuntor e a partir deste sinal se determinará o primeiro semi-ciclo do batimento para calcular o tempo ótimo para o religamento para cada fase.