BR112018074873B1 - Método e dispositivo para a detecção de falhas em sistemas de transmissão e de distribuição - Google Patents
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Abstract
a invenção refere-se a um método e a um dispositivo para detectar falhas em sistemas de transmissão e distribuição. o método é caracterizado pelas seguintes etapas: a. retificar o sinal de corrente alternada do sistema trifásico de "serviços auxiliares"; b. retificar e inverter o sinal de corrente alternada do sistema de transmissão e distribuição; c. ligar o sinal da etapa b à etapa a; d. medir o sinal de corrente alterna obtido na etapa b; e. medir a corrente contínua corrigida na etapa a; f. escalar o valor da corrente medida na etapa e por um fator de escala k; g. calcular o valor rms do sinal medido na etapa d; h. encontrar a diferença entre os valores obtidos nas etapas f e g; i. comparar o valor absoluto da diferença da etapa h com um valor de referência m; j. se a comparação realizada na etapa i for maior que o valor de referência m, gerar um sinal de trip e, manter a tensão entre os pontos de guia da etapa b entre 0 e 90% da tensão de operação sem falhas. o dispositivo compreende um retificador, um inversor conectado ao retificador, meios para medir a corrente conectada à saída do retificador e à saída do inversor, e uma unidade de controle conectada ao retificador, ao inversor e aos meios de medição de corrente, que realiza a ordem de trip do retificador e do inversor, e compara a medição da corrente alterna na saída do retificador com a corrente na saída do inversor, enviando um sinal de trip de acordo com a referida comparação.
Description
[001] A presente invenção refere-se aos métodos e dispositivos para detectar falhas em sistemas de transmissão e de distribuição e, mais particularmente, porém não exclusivamente, a um método e dispositivo para a detecção de falha Monofásica em Linha de Transmissão e Subestação, falhas Bifásicas em Subestação e Trifásicas em Linha de Transmissão e Subestação.
[002] Na indústria da geração e distribuição de energia eléctrica, a detecção de falha e de condições de falha, em sistemas de transmissão e de distribuição é muito importante. Visto que as condições de falha com frequência representam perigo para as pessoas, bens e desperdiçam energia eléctrica.
[003] A finalidade de detectar falhas em sistemas de transmissão e de distribuição é evitar a propagação de danos como, por exemplo: os danos às pessoas, os animais e o meio ambiente, bem como danos a equipamentos nas subestações e linhas de transmissão, outra finalidade é evitar custos e falhas de luz.
[004] Esse tipo de falhas são de vários tipos como, por exemplo, as indicadas no documento Mejia Villegas S.A. (2003). Subestaciones de Alta y Extra Alta Tensión (Segunda ed.). HMV INGENIEROS., no qual são reportadas falhas como as falhas Monofásica, as falhas Bifásicas e as falhas Trifásicas. Também informam a existência de falhas associadas diretamente à ativação das proteções em condições normais e anormais. Existem falhas que são dificilmente detectáveis pelos dispositivos de proteção atuais, uma dessas é a falha de alta impedância, que geralmente é causada por condutores caídos, ramas de árvores caídas nos condutores, dentre outras causas.
[005] No estado da técnica são informados um método e dispositivo para à detecção de falhas em um sistema de energia eléctrica como, por exemplo, no documento no US 5550751 A que descreve um sistema experto para a detecção falhas de alta impedância nas linhas eléctricas.
[006] O estado da técnica também descreve métodos para detecção falhas, como o documento n° US 4851782 A, que descreve um método para a detecção de falhas centrado na detecção de harmônicos gerados pelo comportamento de arco da falha de alta impedância.
[007] O estado da técnica informa métodos que requerem de processos matemáticos como, por exemplo, cálculos complexos como, por exemplo, as transformadas de Fourier e cálculos de derivadas para depois determinar se o que está acontecendo é realmente uma falha, um exemplo disso é o documento n° US 5537327 A que descreve que a pesar de que esse processo é feito a grande velocidade, por causa da eletrônica moderna, é evidente que é realizada uma série de ações antes de poder tomar a decisão final (operação ou não operação) o que representa uma desvantagem.
[008] Por outro lado, sistemas de proteção e detecção de falhas informados no estado da técnica são baseados na medição e regulação da corrente e na tensão em que é feito uso de transformadores de corrente de alta potência, que permitem adquirir os sinais desejados com uma magnitude relativamente baixa para que a mesma possa ser medida por dispositivos analógicos e digitais sem sofrer danos, esses transformadores de corrente de alta potência são equipamentos caros que na atualidade são necessários para a detecção de falhas e que podem chegar a incorrer em erros de saturação.
[009] Portanto, existe a necessidade de um método e dispositivo para a detecção de falhas em sistemas de transmissão e de distribuição que evite o uso de transformadores de corrente de alta potência e encurte a cadeia da tomada de decisão, visto que não utiliza cálculos complexos como, por exemplo, os cálculos de transformadas de Fourier e cálculos de derivadas e que possa ser usado de modo complementário com os sistemas de proteção como, por exemplo, os relés de proteção.
[010] A presente invenção corresponde a um método e um dispositivo para a detecção de falhas em sistemas de transmissão e de distribuição.
[011] Para o entendimento da presente invenção, será entendido por sistema trifásico de serviços auxiliares aqueles sistemas que garantem o fornecimento contínuo da energia para a operação e suporte dos equipamentos principais ou primários de uma subestação eléctrica. Também será entendido por sistema de transmissão ou distribuição aquele sistema eléctrico trifásico de transporte de energia com valores de tensão de transmissão e de distribuição, pelo que a energia eléctrica é transportada de um ponto para outro.
[012] O método de detecção de falha em sistemas de transmissão e de distribuição é caracterizado pelas etapas de:
[013] a. retificar o sinal de corrente de CA do sistema trifásico de “serviços auxiliares”;
[014] b. retificar e inverter o sinal de corrente de CA do sistema de transmissão e de distribuição;
[015] c. conectar o sinal da etapa b à etapa a;
[016] d. medir o sinal de corrente de CA obtido na etapa b;
[017] e. medir a corrente de CC retificada na etapa a;
[018] f. escalar o valor da corrente medida na etapa e por um fator de escala k;
[019] g. calcular o valor rms do sinal medido na etapa d;
[020] h. realizar a diferença entre os valores obtidos nas etapas f e g;
[021] i. comparar o valor absoluto da diferença da etapa h com um valor de referência m;
[022] j. se a comparação efetuada na etapa I é maior que o valor de referência m, um sinal de disparo é gerado e a tensão é mantida entre os pontos de direta da etapa b entre 0 e 90% “preferencialmente 40%” da tensão de operação sem falha.
[023] O dispositivo de detecção de falhas em sistemas de transmissão e de distribuição que implanta o método anteriormente descrito, e compreende:
[024] a. um sistema trifásico de “serviços auxiliares”
[025] b. um retificador conectado ao sistema trifásico de “serviços auxiliares”;
[026] c. um inversor conectado ao retificador;
[027] d. um sistema de transmissão e de distribuição conectado ao inversor;
[028] e. meios de medida de corrente conectados à saída do retificador e à saída do inversor;
[029] f. uma unidade de controle;
[030] A unidade de controle realiza a ordem de disparo do retificador e do inversor e compara a medida de corrente de CC na saída do retificador com a corrente na saída do inversor, enviando um sinal de disparo de acordo com a comparação.
[031] Algumas das falhas detectadas pela invenção, porém, sem limitação às mesmas, são proporcionadas na seguinte tabela:
[032] A Figura 1 ilustra um diagrama de blocos do controle do retificador .
[033] A Figura 2 ilustra um diagrama de blocos do controle do inversor .
[034] A Figura 3 ilustra um diagram circuito de uma modalidade do dispositivo da invenção
[035] A Figura 4 ilustra a forma do sinal de corrente nos tiristores de um retificador de seis tiristores sem apresentar falhas.
[036] A Figura 5 ilustra a forma do sinal de corrente nos tiristores de um inversor de seis tiristores sem falhas.
[037] A Figura 6 ilustra uma falha em linha de transmissão de 100 km com impedância de falha 90 Q devido a um corto circuito monofásico no aterramento.
[038] A Figura 7 ilustra um exemplo de detecção de falha de uma modalidade da invenção perante uma falha em barras em uma subestação com impedância de falha 100 Q.
[039] A Figura 8 ilustra um exemplo de detecção de falha de uma modalidade da invenção perante uma falha bifásica no aterramento.
[040] A Figura 9 ilustra um exemplo de detecção de falha de uma modalidade da invenção perante uma falha bifásica no aterramento na subestação com impedância de falha de 50 Q. A Figura 10 ilustra um exemplo de detecção de falha de uma modalidade da invenção perante uma falha trifásica na linha de transmissão.
[041] A Figura 11 ilustra a forma do sinal de corrente rms no sistema de transmissão e de distribuição.
[042] A Figura 12 ilustra a forma do sinal de tensão rms no sistema de transmissão e de distribuição.
[043] A presente invenção corresponde a um método e um dispositivo para a detecção de falhas em sistemas de transmissão e de distribuição.
[044] O método de detecção de falha em sistemas de transmissão e de distribuição é caracterizado pelas etapas de:
[045] a. retificar o sinal de corrente de CA do sistema trifásico de “serviços auxiliares”;
[046] b. retificar e inverter o sinal de corrente de CA do sistema de transmissão e de distribuição;
[047] c. conectar o sinal da etapa b à etapa a;
[048] d. medir o sinal de corrente de CA obtido na etapa b;
[049] e. medir a corrente de CC retificada na etapa a;
[050] f. escalar o valor da corrente medida na etapa e por um fator de escala k;
[051] g. calcular o valor rms do sinal medido na etapa d;
[052] h. realizar a diferença entre os valores obtidos nas etapas f e g;
[053] i. comparar o valor absoluto da diferença da etapa h com um valor de referência m;
[054] j. se a comparação efetuada na etapa i é maior que o valor de referência m, um sinal de disparo é gerado e a tensão é mantida entre os pontos de direta da etapa b entre 0 e 90% “preferencialmente 40%” da tensão de operação sem falha.
[055] A etapa a. retificar o sinal de corrente de CA do sistema trifásico de “serviços auxiliares”; é realizada para obter uma corrente direta que controlada, mediante um controle de corrente do retificador.
[056] O método de detecção de falha em sistemas de transmissão e de distribuição é realizado mediante duas controles, o controle de corrente do retificador e o controle de corrente do inversor, esses controles serão explicados abaixo nos parágrafos de controle de corrente do retificador e de controle de corrente do inversor
[057] As etapas da f à j e a implementação do controle de corrente do retificador e o controle de corrente do inversor são realizadas em uma unidade de controle como, por exemplo, um processador, um microprocessador, um microcontrolador, um computador industrial, etc.
[058] Na unidade de controle durante a etapa j, se a comparação efetuada na etapa i é maior que um valor de referência m, geralmente selecionada por um operador humano, um sinal de disparo é gerado e a tensão é aumentada entre 0 e 3% no sinal de direta da etapa a.
[059] O valor de referência m está entre 0,005 e 0,05 o sinal de disparo (Trip). É um sinal que é usado para fazer diferentes ações como, por exemplo, ativar alarmes de presença de falha e ativar ou desativar equipamentos, proteções, etc.
[060] Com referência à Figura 1 são apresentados um controle retificador da etapa a, do método de detecção de falha em sistemas de transmissão e de distribuição, em que é tomado o sinal de corrente retificada da etapa a (1), é comparado (2) com o sinal retificado na etapa b (3) e o resultado CERRR (4) é inserido em um controle proporcional integral PI (5) governado pela seguinte equação de transferência:
[061] Na saída desta função de transferência é obtido um sinal de corrente que corresponde a um ângulo BETAR (6) que é restado (7) com o ângulo π (7), o resultado corresponde ao ângulo de disparo do retificador (9).
[062] Para um exemplo em particular, controle de corrente do retificador, os valores são da função de transferência do controle proporcional integral estão dados por:
[063] Kp= Ganho, parâmetro do sistema, 1,0989
[064] G = parâmetro do sistema
[065] Ti: 0, 01092 s
[066] Saída inicial do integrado: 1,57
[067] e(t) = CERRR. Erro entre a medição no retificador e os controles do inversor baseados seja no mando externo ou nas medições no inversor.
[068] u(t) = BETAR
[069] O controle retificador é regulado a partir da medida da corrente no lado inversor do sistema, pelo que existe um monitoramento constate desse parâmetro por parte do controle retificador.
[070] Para realizar a etapa b de retificar e inverter o sinal de corrente de CA do sistema de transmissão e de distribuição no método de detecção de falha em sistemas de transmissão e de distribuição, é realizado um controle de corrente do inversor.
[071] Com referência à Figura 2 é apresentado um controle retificador e inversor da etapa b, de em que é tomado o sinal de corrente invertido medido na etapa e (10) e é multiplicado por um fator de 0,01 (11), depois é somado (12) ao sinal de tensão invertido medido na etapa e (13) e o resultado é inserido em uma função de transferência genérica (14) governada pela seguinte equação:
[072] Para um exemplo em particular, os valores desta função de transferência genérica (14) são:
[073] Entrada inferior: 0,4
[074] saída inferior: 0,55
[075] Entrada superior: 0,9
[076] Saída superior: 1,0
[077] Na saída desta função de transferência genérica (14) é obtido um sinal de corrente correspondente à variável VDCL (15), esse sinal é um limiar de corrente dependente da tensão e corresponde também a um sinal de corrente de saída CORDER (15)), empregado para as funções de controle do retificador.
[078] A técnica de converter a voltagem em corrente é conhecida como limiar de corrente de mando dependente da voltagem, pelas suas siglas VDCOL, e seu propósito é evitar um excesso de demanda de potência reativa em caso de um descenso na voltagem, diminuindo a corrente.
[079] Do controle retificador e inversor da etapa b, é tomado o sinal de corrente invertido medido na etapa e (10) e é restado do sinal CORDER (15), em que é obtido o sinal CERRI (16), ao qual é restado um fator de 0,1 (17), dando como resultado o sinal CERRIM (18) que é inserido em um controle proporcional integral PI (19) governado pela seguinte equação de transferência:
[080] Para um exemplo em particular, os valores para a equação do controle proporcional integral PI (19) são:
[081] Kp= Ganho Proporcional, 0,63
[082] Ti: 0,01524 s
[083] Limiar máximo: 1,92 Limiar mínimo: 0,52
[084] Saída inicial do integrado: 1,92
[085] e(t) = CERRRIM (18)
[086] u(t) = BETAIC (19)
[087] Na saída desta função de transferência é obtido um sinal de corrente correspondente a um ângulo BETAIC (20).
[088] O ângulo gama medido (20) no inversor é restado da soma dos ângulos CERRI (22) e o ângulo mínimo de gama igual a 0,2618, o resultado GERRI (23) é inserido em um controle proporcional integral PI (24) governado pela seguinte equação de transferência:
[089] Para um exemplo em particular, os valores para a equação do controle proporcional integral PI (24) são:
[090] Kp = Ganho Proporcional, 0,63
[091] Ti = 0,01524 s
[092] Limiar máximo: 1,92
[093] Limiar mínimo: 0,52
[094] Saída inicial do integrado: 1,92
[095] e(t) = GERRI
[096] (t) = BETAIG
[097] Na saída desta função de transferência é obtido o ângulo BETIG, que é comparado com o sinal BETAIG (25) e o valor máximo entre esses dois (26) é restado do ângulo π (27), o resultado corresponde ao ângulo de disparo do retificador inversor alfa (a) (28).
[098] O método de detecção de falha em sistemas de transmissão e de distribuição descrito anteriormente é implantado em um dispositivo de detecção de falhas em sistemas de transmissão e de distribuição que compreende:
[099] a. um sistema trifásico de “serviços auxiliares”
[100] b. um retificador conectado ao sistema trifásico de “serviços auxiliares”;
[101] c. um inversor conectado ao retificador;
[102] d. um sistema de transmissão e de distribuição conectado ao inversor;
[103] e. meios de medida de corrente conectados à saída do retificador e à saída do inversor;
[104] f. uma unidade de controle;
[105] em que a unidade de controle realiza a ordem de disparo do retificador e do inversor e compara a medida de corrente de CC na saída do retificador com a corrente na saída do inversor, enviando um sinal de disparo de acordo com a comparação.
[106] O retificador é selecionado de pontes retificadoras, por exemplo, de 6 ou 12 pulsos, em que cada pulso corresponde ao número de tiristores usados na ponte retificadora.
[107] Em uma modalidade da invenção, o retificador é uma ponte conversora trifásica não controlada.
[108] Os tiristores também chamados de válvulas, são dispositivos de comutação, geralmente eletrônicos ou de estado sólido, e na presente invenção, deve se entender como uma família ampla de dispositivos que podem realizar as operações de: relés, relés de estado sólido, contatores, tiratrons, ígnitrons, reóstatos, transístores de potência, retificador controlado de silício SCR, pelas siglas em inglês, arrancadores, interruptores, interruptores de estado sólido, reatância saturáveis, reatâncias saturáveis, amplificadores magnéticos, tubos de vácuo, termostatos, convertedores giratórios, entre outros.
[109] Os meios de medida de corrente conectados à saída do retificador e à saída do inversor; nesses é realizada a etapa c. medir o sinal de corrente de CA obtido na etapa b; e a etapa d. de medir a corrente de CC retificada na etapa a do método de detecção de falha em sistemas de transmissão e de distribuição da presente invenção.
[110] A unidade de controle é, por exemplo, um processador, um microprocessador, um microcontrolador, um computador industrial, etc.
[111] Na unidade de controle é realizado o controle de corrente do retificador e o controle de corrente do inversor, bem como as etapas as etapas da f à j do método de detecção de falha em sistemas de transmissão e de distribuição descrito anteriormente.
[112] A unidade de controle que gera o sinal de disparo Trip. a corrente medida na etapa d é retificada com um retificador diferencial e é restado do valor medido na etapa e e é aplicada as etapa i e j do método de detecção de falha em sistemas de transmissão descrito anteriormente, sendo que na etapa j, se a comparação efetuada na etapa i é maior que o valor de referência m, um sinal de disparo é gerado e a tensão é aumentada entre 0 e 3% no sinal de direta da etapa a.
[113] Mediante esse processo, a unidade de controle detecta aquelas falhas na comutação dadas no módulo inversor e que são causadas, por exemplo, por falhas monofásicas ou trifásicas no sistema de transmissão ou distribuição.
[114] A unidade de controle que realiza a ordem de disparo do retificador e do inversor e compara a medida de corrente de CC na saída do retificador com a corrente na saída do inversor, enviando um sinal de disparo de acordo com a dita comparação, comparar o valor absoluto da diferença da etapa h com um valor de referência m.
[115] Em uma modalidade da invenção o valor de referência m está entre 0,005 e 0,05 que corresponde à diferença da corrente retificada pelo retificador diferencial e à corrente de CC do módulo retificador.
[116] Em uma modalidade da invenção, o controle de corrente do retificador usa a técnica de controle de corrente constante ou Constant Current Control (CCC). A referência para o limiar de corrente é obtida desde o inversor conectado ao retificador. O anterior é feito para a proteção do conversor em situações em que o lado inversor não tem tensão de CC de suporte ou não tem requerimento de carga. A referência de corrente usada no controle retificador depende da tensão de CC disponível no lado do inversor.
[117] A corrente de CC no lado retificador é medida com meios de medida de corrente conectados à saída do retificador, em que esses meios de medida incluem transdutores e filtros.
[118] Os tiristores usados nos sistemas de direta precisam ser expostos a uma tensão inversa por um tempo suficiente para que parem de conduzir e permitir, dessa forma, uma comutação de corrente exitosa. No momento de uma falha no sistema de transmissão e de distribuição, a tensão é interrompida, o que faz com que as válvulas no consigam essa tensão inversa que fará com que comutem, pelo que continuarão a conduzir, ocasionando uma falha na comutação.
[119] A falha na comutação acontece quando a tensão da fase correspondente a uma das válvulas, é distorcida ou deslocada por uma falha no sistema de transmissão ou distribuição, de modo que a área tensão- tempo durante o intervalo de comutação é diminuído em um nível tal que a comutação não possa ser completada, gerando desse modo, o curto-circuito no lado de direta ou falha de comutação também conhecido como princípio de falha na comutação.
[120] Esse é o princípio falha de comutação que permite realizar a detecção da falha na presente invenção mediante a unidade de controle que implanta o método de detecção de falha em sistemas de transmissão e de distribuição.
[121] Em uma modalidade da invenção e com referência à Figura 3, o dispositivo de detecção de falhas em sistemas de transmissão e de distribuição compreende:
[122] a. um sistema trifásico de “serviços auxiliares” (30)
[123] b. um retificador (31) de seis tiristores conectado ao sistema trifásico de “serviços auxiliares” (30);
[124] c. um inversor (32) de seis tiristores conectado ao retificador (31);
[125] d. um sistema de transmissão e de distribuição (33) conectado ao inversor (32);
[126] e. meios de medida de corrente conectados à saída do retificador e à saída do inversor; não ilustrados.
[127] f. uma unidade de controle (34);
[128] em que a unidade de controle (33) realiza a ordem de disparo do retificador (31) e do inversor (32) e compara a medida de corrente de CC na saída do retificador com a corrente na saída do inversor, enviando um sinal de disparo Trip (35) de acordo com a comparação, segundo indicado no método anteriormente descrito.
[129] O retificador (31) é uma ponte conversora trifásica de tiristores controlado com um ângulo de disparo entre 0° e 90°, cujos valores em operação estão, preferencialmente, entre 15° e 25°.
[130] O inversor (32) é uma ponte conversora trifásica de tiristores cujo ângulo de disparo está entre 90° e 180°.
[131] Os meios de meios de medida de corrente são selecionados do grupo que compreende, amperímetros, galvanômetros, voltímetros, multímetros, medidores baseados em conversores de analogia digital e medidores de efeito hall, e combinações dos anteriores.
[132] Em uma modalidade da invenção e com referência à Figura 3, os meios de medida de corrente conectados à saída do retificador (31) e à saída do inversor (33) mediante um retificador, que é um retificador diferencial que é não controlado e é conformado por diodos, doravante será referido esse retificado como retificador diferencial não controlado (36).
[133] O retificador diferencial não controlado (36), é conformado por diodos e em algumas modalidades da invenção tem uma capacidade de corrente de 1 a 100 vezes a corrente nominal do sistema de “serviços auxiliares” (30).
[134] O retificador diferencial não controlado (36) possui uma capacidade de corrente, por exemplo, de 100 a 1 vezes a corrente nominal do sistema de serviços auxiliares.
[135] Em uma modalidade da presente invenção e com referência à Figura 3, a conexão entre a proteção diferencial e o sistema de transmissão ou de distribuição é realizada através do transformador de instrumentação (38).
[136] Os transformadores de instrumentação podem ser: transformadores de correntes ou CT - pelas siglas em inglês: current transformer, transformadores de tensão ou potencial ou TT- pelas siglas em inglês, transformador de tensão ou VT pelas siglas em inglês- transformador de voltagem, Transformadores PT - pelas siglas em inglês Potential Transformen, ou combinações dos anteriores.
[137] O retificador diferencial não controlado (36) é parte de uma proteção diferencial (37) composta de um retificador diferencial não controlado (36) que retifica o sinal proveniente do transformador de instrumentação CT (38). O sinal retificado pelo retificador diferencial não controlado (36) é enviado à unidade de controle (34), que compara o valor da medida de corrente de CA do sistema de transmissão e de distribuição obtido mediante o sinal do transformador de medida CT (39). Retificada pelo retificador diferencial não controlado (36) com o valor da medida de corrente de CC do módulo retificador (31) escalado em fator de escala K na unidade de controle (34), o valor do fator de escala é selecionado por um operador.
[138] A unidade de controle (34) age conforme indicado pelo método de detecção de falha em sistemas de transmissão e de distribuição descrito anteriormente, principalmente nas etapas f à j.
[139] Os transformadores (38) e (39) empregados pela invenção são transformadores de instrumentação, pelo que sua relação de transformação é muito mais alta do que os transformadores convencionais, de cerca dos 1.000 a 1.
[140] Em uma modalidade da invenção, os meios de medida de corrente conectados à saída e à entrada do retificador correspondem aos transformadores de instrumentação (38) e (39), que realizam a medição dos parâmetros com relações de 1.000 a 1.Exemplo de Funcionamento do retificador (31) sem a presença de falhas.
[141] Com referência à Figura 4 e a Figura 3, a unidade de controle (34) realiza o controle sobre o ângulo de disparo alfa (a) dos tiristores. O retificador possui além disso, um ângulo de sobreposição μ com valores de operação entre 15 e 25° e, não maior que 60°, e um ângulo de extinção δ que corresponde à soma do ângulo alfa (a) e mi (μ).
[142] Com referência à Figura 4 e à Figura 3, o sinal de corrente -tempo em que wt corresponde ao valor do ângulo no tempo, (ea), (eb) e (ec) corresponde às fases A, B e C do sistema trifásico de transmissão ou distribuição. O ângulo alfa (a) é o ângulo de disparo do retificador e indica o momento em que o seguinte tiristor começa comutar. O ângulo mi (μ) é o ângulo de sobreposição que indica o momento em que duas tiristores estarão conduzindo ao mesmo tempo. Com referência à Figura 5, os valores numéricos de 1, 3, 5 e 6, 2, 4, correspondem aos períodos de condução dos respectivos tiristores (41), (43), (45) e (46), (42) (44) respectivamente.
[143] Com referência à Figura 4 e à Figura 3, o período de condução dos tiristores acontece em duas sequências que definem a polaridade. A primeira sequência, geralmente positiva, acontece a partir da disposição de válvulas na fila A (40) correspondentes às válvulas (41), (43) e (45), que conduzem nos períodos positivos do sinal de alterna do sistema trifásico quando o valor de ângulo alfa é alcançado. A segunda sequência acontece a partir da disposição de válvulas na fila B (47) correspondente às válvulas (42), (44) e (46) que conduzem nos períodos negativos do sinal de alterna do sistema trifásico. O período de condução das válvulas corresponde aos tempos em que as válvulas estão em modo de condução.
[144] A comutação dos tiristores é baseada na inversão da tensão de alterna com dependência sobre o ângulo de disparo alfa. A comutação inicia mediante a unidade de controle (34) que remove o pulso de disparo do tiristor que sai de condução e ativando a válvula de tiristores da mesma disposição de tiristores que entra em condução.Exemplo de Funcionamento do Inversor (32) sem a presença de falhas.
[145] Com referência à Figura 3 em condições normais, o dispositivo de detecção de falhas começa com a operação normal dos tiristores, em que iniciam sequencialmente os tiristores (51),(50), (49) e os tiristores (54), (53), (54), do modo seguinte: Enquanto conduz a válvula (52), em um momento de seu tempo de condução, existe um sobreposição entre os tiristores (50) e (51), visto que a válvula (6) inicia seu processo de apertura enquanto a válvula (51) começa com sua comutação de fechamento. Quando a válvula (51) se fecha, em um momento de seu tempo de condução, existe uma sobreposição entre os tiristores (52) e (53), visto que a válvula (52) inicia seu processo de apertura enquanto a válvula (53) começa sua comutação de fechamento. Esse processo se repete com os demais tiristores e na metade do tempo de condução da válvula (53), comutam os tiristores (51) e (49), em um momento de seu tempo de condução da válvula (49), comutação os tiristores (53) e (54).
[146] Com referência à Figura 5 e à Figura 3, o inversor (32) retifica o sinal de corrente de CA do sistema trifásico de “serviços auxiliares” (30). Em que o inversor (32) é uma ponte conversora trifásica de tiristores cujo ângulo de disparo está entre 90° e 180°. Com referência à Figura 5 e à Figura 3, o controle do retificador realizado pela unidade de controle (34) tem como parâmetros de entrada a corrente e a tensão de direta medida no inversor e o ângulo de extinção gama (e) medido com valores de operação normal entre 165° (π - 15°) e 149° (π - 31°). Dentro do inversor (32) existe outro tipo de ângulos como são o ângulo de disparo do inversor beta (β) relacionado ao ângulo de disparo do retificador da seguinte forma pi - alfa (π-α) e o ângulo de sobreposição mi (μ) que é equivalente à relação entre o ângulo de disparo alfa (a) do inversor (32) e o ângulo de extinção (β-Y).
[147] Com referência à Figura 5 e à Figura 3, é apresentada uma figura de corrente-tempo, em que wt corresponde ao valor do ângulo no tempo, (ea), (eb) e (ec) são respectivamente as fases A, B e C do sistema trifásico de “serviços auxiliares” (30). O ângulo beta (β) corresponde ao ângulo de disparo (análogo ao ângulo alfa (a) no retificador) e indica o momento em que os tiristores realizam a sobreposição nos períodos de condução, entre a válvula que entra e, a que sai de operação.
[148] Com referência à Figura 5, os valores numéricos de 1, 3, 5 e 6, 2, 4, correspondem a 1 os tiristores (52), (53) e (54) e (49), (50) e (51) respectivamente.
[149] No lado inversor são implementados os ângulos de extinção gama e o controle de corrente. O CCC junto ao limitador de tensão dependente da corrente voltagem, dependent current order limiter, pelas siglas em inglês VDCOL, são usados através dos controle PI. O limiar de referência para o controle da corrente é obtido através de uma comparação das referências externas (selecionadas pelo operador ou pelos requerimentos de carga) e o VDCOL de saída. O erro de medição é depois restado desde o limiar de referência produzindo um sinal de erro que é enviado ao controle PI que produz o ângulo requerido. O controle gama usa outro controle PI que produz o ângulo gama para o inversor. Os dois ângulos são comparados e o valor mínimo desses dois é usado para calcular o instante de disparo.
[150] Com referência à Figura 5 e à Figura 3, o período de condução do inversor (32), é análogo ao descrito para o retificador (31), com a diferença de que a forma do sinal de tensão de CC é inversa no inversor (32) do que no retificador (31).
[151] Com referência à Figura 5 e à Figura 3, o período de condução dos tiristores é realizado em duas sequências que definem a polaridade. A primeira sequência é realizada a partir da disposição de válvulas na fila C (55) correspondente às válvulas (52), (53) e (54), que conduzem nos períodos positivos do sinal de alterna do sistema trifásico quando é alcançado o valor de ângulo alfa. A segunda sequência é realizada a partir da disposição de válvulas na fila D (48) correspondente às válvulas (49), (50) e (51). O período de condução dos tiristores corresponde aos tempos em que os tiristores estão em condução. Exemplo de uma modalidade da invenção com simulação de falhas.
[152] Para a realização do exemplo, começa- se a partir do modelo Benchmark de sistemas HVDC da CIGRE disponível no software PSCAD, que tem com um módulo de controle e um módulo eléctrico do sistema de direta. A partir do Benchmark foi implantado um projeto proposto do relé e foi verificada sua atuação perante falhas monofásicas, bifásicas e trifásicas em uma linha de transmissão ou distribuição e uma subestação. A partir do modelo inicial do Benchmark foi eliminada uma ponte de tiristores de cada unidade para que o sistema ficara finalmente de 6 pulsos, além disso, foi ajustado o nível de tensão do transformador entre 120 e 220 V para que o sistema de direta ficara de baixa potência.
[153] Conformando desse modo um dispositivo para a detecção de falhas, segundo os descritos em uma modalidade da invenção em que foram implantadas as falhas descritas a seguir.
[154] Com referência à Figura 6 e à Figura 3, é simulado um curto-circuito monofásico no aterramento com impedância de 90 ohm sobre o sistema de transmissão em uma linha de transmissão de 100 km, quando acontece esse curto-circuito, o sinal de corrente (Iv2) do tiristor (51) e do inversor (32) não completa sua comutação, gerando uma falha na comutação e os tiristores (53) e (50) conduzem gerando um curto-circuito. Nesse momento a unidade de controle (34) detecta a falha a aplicando o método de detecção de falhas da presente invenção descrita acima, detecta a presença de um falha e gera um sinal de disparo Trip para os interruptores da linha de transmissão de 100 km afetada.
[155] Em estado estável ou em estado sem falha, essas correntes descritas deverão ser iguais ou pelo menos, com uma tolerância de diferença, por exemplo, de 5%, pelo que não existirá uma detecção de falha pela unidade de controle (34).
[156] Com referência à Figura 7 e à Figura 3, é simulado um curto-circuito monofásico no aterramento com impedância de 100 ohm sobre o sistema de transmissão sobre uma linha de transmissão de 100 km, quando acontece esse curto-circuito, a corrente (Iv2) do tiristor (51) não completa sua comutação, representando uma falha na comutação e os tiristores (53) e (50) conduzem gerando um curto-circuito. Nesse momento a unidade de controle (34) detecta a falha a aplicando o método de detecção de falhas da presente invenção descrita acima, detecta a presença de um falha e gera um sinal de disparo Trip para os interruptores da linha de transmissão de 100 km afetada.
[157] Em estado estável ou estado sem falha estas correntes serão iguais ou sua diferença será menor que o ajuste dado de 0,05 A, pelo que não existirá um sinal de disparo, nem detecção de falha por parte da unidade de controle (34).
[158] Com referência à Figura 8 e à Figura 3, é simulado um curto-circuito bifásico no aterramento no sistema de transmissão sobre uma linha de transmissão de 100 km, quando acontece esse curto-circuito, o sinal de corrente (Ivl) do tiristor (52) não completa sua comutação, representando uma falha na comutação e os tiristores (54) e (51) conduzem, gerando um curto- circuito. Nesse momento a unidade de controle (34) detecta a falha a aplicando o método de detecção de falhas da presente invenção descrita acima, detecta a presença de um falha e gera um sinal de disparo Trip para os interruptores da linha de transmissão de 100 km afetada. Em estado estável ou estado sem falha estas correntes serão iguais ou sua diferença será menor que o ajuste dado de 0,05 A, pelo que não existirá um sinal de disparo, nem detecção de falha por parte da unidade de controle (34).
[159] Com referência à Figura 9 e à Figura 3, é simulado um curto-circuito bifásico no aterramento com impedância de 50 ohm em uma subestação, quando acontece esse curto-circuito, o sinal de corrente do tiristor (49) não completa sua comutação, gerando uma falha na comutação, os tiristores (54) e (51) conduzem, gerando um curto-circuito. Nesse momento a unidade de controle (34) detecta a falha a aplicando o método de detecção de falhas da presente invenção descrita acima, detecta a presença de um falha e gera um sinal de disparo Trip para os interruptores da linha de transmissão de 100 km afetada. Em estado estável ou estado sem falha estas correntes serão iguais ou sua diferença será menor que o ajuste dado de 0,05 A, pelo que não existirá um sinal de disparo, nem detecção de falha por parte da unidade de controle (34).
[160] Com referência à Figura 10 e à Figura 3, é simulado um curto-circuito trifásico no aterramento no sistema de transmissão sobre uma linha de 100 km, quando acontece esse curto-circuito, o sinal de corrente da válvula 3 da Figura 1 não completa sua comutação, representando uma falha na comutação, os tiristores (52) e (49) conduzem, gerando um curto-circuito. Nesse momento a unidade de controle (34) detecta a falha a aplicando o método de detecção de falhas da presente invenção descrita acima, detecta a presença de um falha e gera um sinal de disparo Trip para os interruptores da linha de transmissão de 100 km afetada. Em estado estável ou estado sem falha estas correntes serão iguais ou sua diferença será menor que o ajuste dado de 0,05 A, pelo que não existirá um sinal de disparo, nem detecção de falha por parte da unidade de controle (34).
[161] E um exemplo particular e, com referência à Figura 11, é ilustrada a forma do sinal de corrente de alterna rms em um sistema de transmissão perante uma falha de alta impedância em que antes do primeiro segundo é observado como a corrente tem um comportamento constante, no momento da falha (segundo 1), o sinal de corrente de alterna rms cresce até que a unidade de controle (34) detecta a falha e as ações do controle agem (tempo 1.1 s), nesse momento a falha tem sido identificada e a corrente rms de alterna toma valores permissíveis entre 0.2 e 0.3 A
[162] Com referência à Figura 11, é ilustrada a forma do sinal de tensão de alterna rms no sistema de transmissão e de distribuição (33) perante uma falha de alta impedância. Antes do primeiro segundo é observado como a tensão tem um comportamento constante, no momento da falha (segundo 1), o sinal de tensão de alterna rms cai por causa da falha e continua até que a unidade de controle e agem (tempo 1,1 s), nesse momento a falha tem sido identificada e a tensão rms de alterna toma valores permissíveis entre 120 e 100 V.
[163] Deve-se entender que a presente invenção no está limitada pelas modalidades descritas e ilustradas, visto que, como será evidente para uma persona versada na técnica, existem variações e modificações possíveis que não se afastam do espírito da invenção, que está definido apenas pelas reivindicações a seguir.
Claims (11)
1. Método de detecção de falha em sistemas de transmissão e de distribuição (33) que compreende as seguintes etapas: a. retificar o sinal de corrente de CA do sistema trifásico de “serviços auxiliares”; b. retificar e inverter o sinal de corrente de CA do sistema de transmissão e de distribuição (33); c. conectar o sinal da etapa b à etapa a; d. medir o sinal de corrente de CA obtido na etapa b; e. medir a corrente de CC retificada na etapa a; f. escalar o valor da corrente medida na etapa e por um fator de escala k; g. calcular o valor rms do sinal medido na etapa d; h. realizar a diferença entre os valores obtidos nas etapas f e g; i. comparar o valor absoluto da diferença da etapa h com um valor de referência m; e CARACTERIZADO por compreender uma etapa de: j. se a comparação efetuada na etapa i é maior que o valor de referência m, um sinal de disparo (35) é gerado e a tensão é mantida entre os pontos de direta da etapa b entre 0 e 90% “preferencialmente 40%” da tensão de operação sem falha.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a corrente medida na etapa d é retificada com um retificador diferencial (36) e é restado do valor medido na etapa e e é aplicada a etapa I e j.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que, na etapa j, se a comparação efetuada na etapa i é maior que o valor de referência m, um sinal de disparo (35) é gerado e a tensão é aumentada entre 0 e 3% no sinal de direta da etapa a.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o valor de referência m está entre 0,005 e 0,05.
5. Dispositivo de detecção de falhas em sistemas de transmissão e de distribuição (33) que compara medições de corrente CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: a. um sistema trifásico (30) de “serviços auxiliares” b. um retificador (31) conectado ao sistema trifásico (30) de “serviços auxiliares”; c. um inversor (32) conectado ao retificador (31); d. um sistema de transmissão e de distribuição (33) conectado ao inversor (32); e. meios de medida de corrente conectados à saída do retificador (31) e à saída do inversor (32); f. uma unidade de controle (34); em que a unidade de controle (34) realiza a ordem de disparo do retificador (31) e do inversor (32) e compara a medida de corrente de CC na saída do retificador (31) com a corrente na saída do inversor (32), enviando um sinal de disparo (35) de acordo com a comparação.
6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de transmissão e de distribuição (33) é conectado a um retificador diferencial (36) e a unidade de controle (34) compara a medida de corrente de CA do sistema de transmissão e de distribuição (33) à medida de corrente de CC à saída do retificador (31).
7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que a conexão ao sistema de transmissão e de distribuição (33) é realizada através de um transformador de instrumentação (38).
8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o retificador (31) é uma ponte conversora trifásica de tiristores controlado com um ângulo de disparo entre 0° e 90°.
9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o inversor (32) é uma ponte conversora trifásica de tiristores cujo ângulo de disparo está entre 90° e 180°.
10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o retificador diferencial (36) é não controlado e conformado por diodos.
11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o retificador (31) é uma ponte conversora trifásica não controlada.
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