BR112019021648A2 - Dispositivo, método para produzir uma tensão neutra em uma rede de corrente alternada, e, uso do dispositivo. - Google Patents
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Abstract
um dispositivo que compreende pelo menos dois elementos de reatância controláveis (1) arranjados para compensar uma corrente de falha de fase única para terra em uma rede de potência com um transformador de potência (3). os pelo menos dois elementos de reatância controláveis (1) são, cada um, conectados com um lado a duas tensões diferentes de uma fonte de tensão trifásica que é síncrona com a rede de potência, e que os elementos de reatância com seu outro lado são juntos conectados ao neutro (n) da rede de potência ou seu equivalente. os elementos de reatância são individualmente controláveis por uma unidade de controle (2) projetada para controlar a tensão neutra do transformador de potência (3) ou seu equivalente no que diz respeito à amplitude e fase em relação ao próprio sistema de tensão do transformador de potência. um método em relação ao dispositivo é também descrito.
Description
DISPOSITIVO, MÉTODO PARA PRODUZIR UMA TENSÃO NEUTRA EM UMA REDE DE CORRENTE ALTERNADA, E, USO DO DISPOSITIVO
Campo da invenção
[001] A invenção refere-se a um dispositivo para compensação de corrente de falha de terra, que compreende dois ou mais elementos de reatância ajustáveis rapidamente, arranjados para compensar uma corrente de falha de terra em uma rede de potência com um transformador de potência de acordo com a reivindicação 1. Ademais, a invenção refere-se a um método para criar uma tensão neutra em uma rede de potência com um transformador de potência de acordo com a reivindicação 7.
Fundamentos da invenção e técnica anterior
[002] Hoje em dia, a transferência de energia elétrica é principalmente conseguida por meio de sistemas de tensão trifásicos ciclossimétricos. Para satisfazer as demandas básicas do sistema - a produção e o consumo de potência precisam estar sempre em equilíbrio. A fim de facilitar essa exigência, foram criadas grandes redes de transmissão nacionais, em que todos os produtores e consumidores de energia elétrica são interconectados. A conexão dessas grades nacionais a redes transnacionais provê vantagens adicionais com relação à exigência de equilíbrio básica. Uma rede transnacional como essa, por exemplo, é a rede escandinava NORDEL.
[003] Para reduzir as perdas nas redes de transmissão, o transporte de longa distância de energia é conseguido a alta tensão, preferivelmente 400kV. A energia emitida aos consumidores a partir da rede de transmissão é realizada por meio de transformadores de saída de grade que, por sua vez, alimentam uma área geográfica limitada. A distribuição é principalmente efetuada em níveis de tensão de 10-30kV. Os grandes clientes industriais são conectados diretamente à rede de distribuição, enquanto os consumidores menores e residências domésticas são alimentados por ainda outra
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2/11 transformação a 400/230V.
[004] Devido à sua estrutura de malha, as redes de transmissão têm uma disponibilidade relativamente alta. As redes de distribuição, no entanto, normalmente têm estruturas radiais e, portanto, constituem um elo fraco no sistema geral de transmissão de potência. As falhas nas linhas de distribuição individuais podem levar à desconexão de grandes grupos de consumidores. A proteção contra falha de linha de distribuição, portanto, precisa não só assegurar as mais altas segurança pública e proteção contra incêndio possíveis, como também ao mesmo tempo manter as redes de distribuição disponíveis. A primeira vista, esses dois objetivos parecem difíceis de combinar.
[005] Mas, nesse contexto, é importante entender que a maioria das falhas de linha é causada por rupturas de isolamento de fase única para terra as chamadas falhas de terra - enquanto a transferência de energia ocorre entre as fases. A terra não participa da transferência de energia. A partir de um ponto de vista de proteção, seria desejável tratar as falhas de terra separadamente e, se possível, bloquear a corrente de falha de maneira sistemática até níveis em que uma desconexão de linha imediata possa ser evitada.
[006] O conceito de proteção mais bem-sucedido baseado nesse entendimento foi desenvolvido em 1917 por Waldemar Petersen. Conectando o neutro do sistema de potência à terra por uma indutância ajustável, que é sintonizada à dispersão capacitiva de grade, Petersen pôde reduzir a corrente de falha de terra em um fator de dez até cinquenta. Essa redução é normalmente suficiente para assegurar a autoextinção de falhas de descarga elétrica monofásica, que é o tipo de falha mais frequente em linhas aéreas.
[007] Hoje em dia, o aterramento ressonante de Petersen domina nas redes de distribuição escandinavas e outras redes de distribuição europeias. Devido à autoextinção de falhas de descarga elétrica, essas redes têm uma
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3/11 disponibilidade geral que é superior a outras redes de distribuição comparáveis, empregando outros conceitos para aterramento de sistema.
[008] Na conversão em andamento das redes de distribuição, de linha aérea em redes de cabos subterrâneas, as correntes de dispersão capacitiva aumentam drasticamente em um fator de 30 a 50 devido à capacitância específica de cabos muito mais alta. Isso afeta o aterramento ressonante de Petersen em dobro: por um lado, o efeito de autoesfriamento sobre as falhas de descarga elétrica na grade aérea remanescente diminui sucessivamente e finalmente para de funcionar devido a crescentes correntes de falha residuais que não são compensadas pela “bobina de supressão de arco” de Petersen. Por outro lado, o efeito de autoesfriamento não funciona em grades de cabos, devido à curta distância entre o condutor carregado e a blindagem de cabo aterrado.
[009] O problema foi identificado e finalmente resolvido no começo dos anos noventa. Uma nova tecnologia baseada em computador para compensação de corrente residual (RCC) foi desenvolvida para ser usada como um complemento à bobina de supressão de arco de Waldemar Petersen. A nova tecnologia tomou o aterramento ressonante novamente o conceito superior tanto para redes aéreas quanto de cabos. Hoje em dia, o aterramento ressonante com tecnologia de RCC é usado no mundo todo em níveis de tensão de 6kV a HOkV, agora até mesmo em grades que anteriormente empregavam outros conceitos de aterramento.
[0010] Em contrapartida à bobina de supressão de arco convencional, que simplesmente aumenta a impedância de fonte no circuito de falha de terra, a RCC elimina a tensão de acionamento nesse circuito superimpondo uma tensão igual, porém oposta. Essa não é uma tarefa tão trivial, visto que a tensão de acionamento exata é desconhecida no começo de uma falha de terra. [0011] De acordo com o teorema de Thévenin, a corrente de falha é determinada pela tensão de acionamento no lado de falha e a impedância da
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4/11 falha em série com a impedância de fonte. Inversamente, para eliminar a corrente de falha completamente, a tensão de acionamento no lado de falha precisa ser eliminada.
[0012] A tensão de acionamento no lado de falha é composta pela tensão de fase para terra do transformador de alimentação (conhecida, respectivamente mensurável na subestação), mais a queda de tensão dependente de corrente de carga entre o transformador de alimentação e o lado de falha real, que pode estar bem longe na grade (desconhecida).
[0013] Determinar esta última tomou-se possível pelo desenvolvimento de um novo algoritmo baseado em computador, que foi publicado pela primeira vez no começo dos anos noventa (Winter, K. “Swedish Distribution Networks - A New Methode for Earthfault Protection in Cable and Overhead Systems”, 5a Conferência Internacional sobre Proteção de Sistemas de Potência, publicação de conferência da IEE n° 368, York/UK 1993).
[0014] O problema remanescente, gerar uma tensão, possível de controlar no que diz respeito à amplitude e fase em relação ao transformador de alimentação, foi resolvido primeiro por um arranjo de dois transformadores de mudança de fase. (Pedido de patente sueco n° SE437096, 1984). Visto que o controle mecânico de um transformador de mudança de fase é relativamente lento, essa solução foi mais tarde substituída por eletrônicos de potência (inversores de modulação de pulsação-largura) Hoje em dia, as instalações de referência para as ASC/RCC combinadas com tecnologia de inversor estão em operação no mundo todo em muitas grades de potência de 6kV a 1 lOkV.
[0015] A potência necessária para o inversor de RCC é dependente do nível de tensão e do tamanho de grade em termos de corrente de dispersão capacitiva e fator de amortecimento. Grandes grades de cabos nas áreas urbanas do mundo podem exceder a corrente de dispersão capacitiva de 1.000A com uma corrente de falha residual não compensada na ordem de
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100A ou mais. Inversores dispendiosos, maiores do que 1MVA, são exigidos para compensar essas correntes enormes.
[0016] A presente invenção propõe um arranjo novo mais confiável e com melhor custo-benefício para a compensação da corrente de falha residual de terra.
Sumário da invenção
[0017] O objetivo da invenção é resolver os problemas acima e oferecer uma solução mais simples e mais robusta para compensação de corrente de falha de terra. Um objetivo adicional é compensar a corrente de falha de terra completamente e, desse modo, melhorar a segurança. Um outro objetivo é melhorar a confiabilidade do dispositivo de compensação e, desse modo, a confiabilidade de toda a transmissão de potência. Finalmente, reduzir os custos para a compensação de corrente de falha de terra é também um objetivo da invenção.
[0018] Esses objetivos são alcançados por meio de um dispositivo, definido no preâmbulo da reivindicação 1, que é distinguido por pelo menos dois elementos de reatância controláveis, cada um conectado com um lado a uma fase de uma fonte de potência trifásica, que é síncrona com o sistema de potência principal, e em que o outro lado dos elementos de reatância é conjuntamente conectado ao neutro do sistema de potência principal ou seu equivalente. Dessa maneira, a tensão neutra do sistema de potência principal e sua fase podem ser controladas pelo tamanho dos elementos de reatância, que por sua vez são controlados por um dispositivo de controle para a tensão neutra a fim de eliminar a tensão de acionamento para uma corrente de falha de terra.
[0019] A vantagem da invenção é segurança melhorada por uma eliminação bem rápida de injeção de tensão e corrente de falha de terra no lado de falha. Nenhuma desconexão de linha imediata é necessária para isso. Portanto, a nova invenção melhora não só a segurança pública e a proteção
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6/11 contra incêndio, como também a qualidade de alimentação. O dispositivo é simples de fabricar e oferece uma baixa atualização de custo para bobinas de supressão de arco existentes.
[0020] Ademais, o dispositivo é adequado para diferentes tipos de redes de potência de CA como sistemas bifásicos, trifásicos ou outros sistemas multifásicos.
[0021] De acordo com outra modalidade da invenção, o dispositivo de controle mencionado é conectado aos elementos de reatância, para controle online de tensões de fase para terra a fim de monitorar o isolamento de grade online e permitir a detecção precoce de problemas de isolamento latentes como, por exemplo, descarregadores de sobretensão ruins, etc.
[0022] De acordo com uma modalidade adicional da invenção, o dispositivo de controle decide quais fases conectar aos dois elementos de reatância.
[0023] De acordo com outra modalidade da invenção, o dispositivo de controle controla o tamanho dos elementos de reatância até as condições para a compensação de corrente de falha de terra completa serem satisfeitas.
[0024] O dispositivo de acordo com a invenção pode, desse modo, ser usado junto com unidades de controle e medição conhecidas para compensação de corrente residual (RCC).
[0025] De acordo com ainda outra modalidade da invenção, o dispositivo é arranjado para trabalhar em paralelo com uma bobina de Petersen existente a fim de apenas eliminar a corrente de falha residual que não é compensada pela bobina de Petersen.
[0026] Mas nesse arranjo o dispositivo pode também ser usado apenas para aumentar a potência da bobina de Petersen.
[0027] Esses propósitos são alcançados por meio de um método, definido no preâmbulo da reivindicação 7, que é distinguido pelo uso de pelo menos dois elementos de reatância ajustáveis, cada um conectado com um
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7/11 lado a uma fase de uma fonte de potência trifásica, que é síncrona com o sistema de potência principal e em que o outro lado dos elementos de reatância é conjuntamente conectado ao neutro do sistema de potência principal ou seu equivalente. Dessa maneira, a tensão neutra do sistema de potência principal e sua fase podem ser controladas pelo tamanho dos elementos de reatância, que por sua vez são controlados por um dispositivo para o controle da tensão neutra a fim de eliminar a tensão de acionamento para uma corrente de falha de terra.
[0028] O método de acordo com a invenção melhora a confiabilidade de dispositivos de compensação existentes e, desse modo, também melhora a disponibilidade da alimentação de potência.
[0029] O propósito é alcançado por um método para gerar uma tensão neutra em uma rede de potência que é alimentada a partir de um transformador de potência, distinguido por um arranjo incluindo pelo menos dois elementos de reatância controláveis, cada um conectado com um lado a uma fase de uma fonte de potência trifásica, que é síncrona com o sistema de potência principal e em que o outro lado dos elementos de reatância é conjuntamente conectado ao neutro do sistema de potência principal ou seu equivalente, enquanto um dispositivo de controle é conectado aos elementos de reatância a fim de controlar a tensão neutra do sistema principal, e em que:
a unidade de controle ajusta a tensão neutra no que diz respeito à amplitude e ao ângulo de fase em relação às tensões do transformador de potência principal a unidade de controle decide quais elementos de reatância são conectados ao neutro do sistema de potência principal a unidade de controle ajusta o tamanho dos elementos de reatância até as condições para a compensação completa de uma corrente de falha de terra serem satisfeitas.
[0030] De acordo com uma modalidade do método, somente dois
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8/11 elementos de reatância são usados, em que a unidade de controle primeiro decide a qual das duas fases de uma fonte de potência de CA trifásica síncrona os elementos são conectados.
[0031] De acordo com outra modalidade do método, três elementos de reatância são usados para acelerar a intercepção de falha por controle direto dos elementos de reatância em questão, enquanto o terceiro elemento é deixado de fora.
[0032] O propósito pode ser alcançado igualmente pelo uso de um dos arranjos do método em paralelo a uma bobina de Petersen existente, apenas para cuidar da corrente de falha residual que não é compensada pela bobina de Petersen.
Breve descrição dos desenhos
[0033] A Figura 1 mostra um diagrama de linha única de uma rede de distribuição com um arranjo conhecido para a compensação de uma corrente de falha de terra.
[0034] A Figura 2 mostra a mesma rede de distribuição com um arranjo para a compensação de uma corrente de falha de terra de acordo com a invenção.
[0035] A Figura 3 mostra o diagrama vetorial para a tensão de acionamento dependente da localização da falha de terra na rede de distribuição.
[0036] A Figura 4a mostra o diagrama de circuito detalhado para um arranjo de acordo com a invenção.
[0037] A Figura 4b mostra o diagrama vetorial para esse arranjo. Descrição detalhada da invenção
[0038] As Figuras 1 e 2 mostram uma rede de distribuição com uma unidade de controle e medição 2 para a detecção de uma falha de terra e o controle de um dispositivo de compensação de corrente de falha. Ademais, as figuras mostram um transformador de potência 3, uma barra coletora 4 e
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9/11 inúmeros alimentadores de saída LI, L2 ... LN, cada um com um interruptor de linha 9 na barra coletora 4.
[0039] A transmissão de energia elétrica é no geral efetuada por meio de sistemas trifásicos ciclossimétricos. No entanto, mesmo sistemas monofásicos e bifásicos (ferrovia) existem. A base comum é que a transferência de carga útil (aos consumidores) é acionada exclusivamente pelas tensões entre as fases. Se um erro ocorre na forma de uma ruptura de isolamento entre essas fases, o alimentador em questão e todos os consumidores por trás são desconectados pelo interruptor de linha 9.
[0040] No entanto, a maioria das falhas elétricas ocorre entre uma das fases e terra (as chamadas falhas de terra). Desse modo, o sistema inteiro é mudado em relação à terra. Ainda assim, as tensões entre as fases (que estão acionando a carga útil) não são afetadas.
[0041] A corrente de falha para terra no lado de falha real é determinada por outras correntes para terra (principalmente correntes de dispersão capacitiva, mas também correntes de dispersão resistiva) na rede galvanicamente interconectada. A soma de todas essas correntes para terra, incluindo a corrente de falha, é sempre zero (lei de corrente de Kirchhoff). A partir disso, segue a conclusão: se se quer levar a corrente de falha a zero, é preciso garantir que a soma de todas as outras correntes para terra seja zero.
[0042] O propósito dos dispositivos de compensação em ambas as figuras 1 e 2 é criar esse equilíbrio produzindo uma corrente correspondente entre o neutro da rede e terra.
[0043] A Figura 1, desse modo, mostra um dispositivo conhecido para essa compensação, consistindo em uma bobina de Petersen 5 com um enrolamento de potência auxiliar 6 para um inversor 7 injetar a corrente de falha residual, que não é compensada pela bobina de Petersen. Uma opção para o desarme de reserva do alimentador 8 defeituoso por causa de um mau funcionamento do dispositivo de compensação é também mostrada.
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[0044] A Figura 2 mostra um arranjo para compensação da corrente de falha completa por dois elementos de reatância de acordo com a invenção.
[0045] O dispositivo de controle e medição 2 monitora continuamente a admitância de sequência zero (Yo) nos alimentadores de saída Ll-N e na conexão de terra do dispositivo de compensação. Os valores reais são armazenados na memória do dispositivo. Após a detecção de uma falha de terra, a medição é repetida. Então a diferença entre o valor armazenado e o último valor é calculada de alimentador a alimentador.
[0046] A falha está no alimentador que mostra uma diferença (delta Yo) entre os dois valores. A diferença que também pode ser vista na conexão de terra do dispositivo de compensação é usada para controlar a configuração do dispositivo de compensação. Na figura 1 é o arranjo conhecido com um inversor, enquanto na figura 2 dois elementos de reatância ajustáveis de acordo com a invenção são usados para alcançar o equilíbrio. Em ambos os casos, uma tensão controlável é criada entre o neutro da rede N e terra E.
[0047] Quando essa tensão neutra corresponde à tensão de acionamento no lado de falha, o delta Yo e, desse modo, a corrente na falha tomam-se zero (teorema de Thévenin).
[0048] Como a Figura 3 mostra, é necessário que uma tensão neutra controlável iniba a tensão de acionamento no lado de falha. O dispositivo de compensação tem que criar essa tensão, que precisa ser ajustável tanto na amplitude quanto na fase com relação ao sistema de tensão do transformador de potência de alimentação.
[0049] A Figura 4a mostra um diagrama de circuito para o arranjo de dois elementos de reatância controláveis de acordo com a invenção. Um elemento de reatância é por definição um elemento bipolar passivo, ou capacitivo ou indutivo. No exemplo na figura 4a, os elementos de reatância são compostos de dois bancos de capacitor sintonizáveis, já conhecidos e usados como alcance de sintonia rápida para diferentes tipos de bobinas fixas
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[0050] A unidade de controle primeiro seleciona a quais duas fases os elementos de reatância têm de ser conectados e então individualmente controla o tamanho dos elementos até a condição para compensação de corrente de falha completa (delta Yo = 0 mS) ser satisfeita.
[0051] A Figura 4b finalmente mostra o diagrama vetorial para o arranjo de compensação da Figura 4a. O enrolamento primário conectado em delta do transformador de fonte induz, no lado secundário conectado em Y, três tensões ciclossimétricas com mudança de fase de 1.200. Junto com os dois elementos de reatância ajustáveis e as três permutações possíveis de duas dessas tensões, é possível criar uma tensão resultante que pode ser variada 0100% em amplitude e 1.200 em fase para cada permutação, isto é, 3.600 no total.
[0052] O dispositivo pode ser usado para a compensação completa da corrente de falha de terra assim como em paralelo a uma bobina de Petersen existente apenas para a compensação da corrente de falha residual que não é compensada pela bobina de Petersen.
[0053] A invenção não é limitada ao arranjo mostrado acima, mas pode ser variada de várias maneiras enquadradas nas reivindicações a seguir.
Claims (10)
1. Dispositivo que compreende pelo menos dois elementos de reatância controláveis (1) arranjados para compensar uma corrente de falha de fase única para terra em uma rede de potência com um transformador de potência (3), caracterizado pelo fato de que os pelo menos dois elementos de reatância controláveis (1) são, cada um, conectados com um lado a duas tensões diferentes de uma fonte de tensão trifásica que é síncrona com a rede de potência, e que os elementos de reatância com seu outro lado são juntos conectados ao neutro (N) da rede de potência ou seu equivalente, em que os elementos de reatância são individualmente controláveis por uma unidade de controle (2) projetada para controlar a tensão neutra do transformador de potência (3) ou seu equivalente no que diz respeito à amplitude e fase em relação ao próprio sistema de tensão do transformador de potência.
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os ditos elementos de reatância (1) compreendem três elementos de reatância, um em cada fase da fonte de tensão.
3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a dita unidade de controle (2) é uma unidade de controle e medição conectada aos elementos de reatância (1) a fim de controlar a tensão secundária entre neutro (N) e terra (E).
4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle (2) é configurada para selecionar as fases a serem conectadas aos elementos de reatância que, por sua vez, são conectados entre neutro (N) e terra (E).
5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle (2) é configurada para controlar o tamanho dos elementos de reatância até a condição para uma compensação completa de uma corrente de falha de terra ser satisfeita.
6. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações
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1 a 5, caracterizado pelo fato de que o dispositivo é configurado para trabalhar em paralelo com uma bobina de Petersen a fim de compensar a corrente de falha residual não compensada pela própria bobina de Petersen.
7. Método para produzir uma tensão neutra em uma rede de corrente alternada com um transformador de potência (3), caracterizado por um dispositivo que compreende pelo menos dois elementos de reatância controláveis (1), cada um conectado com um lado a duas tensões diferentes de uma fonte de tensão trifásica que é síncrona com a rede de potência, e que os elementos de reatância com seu outro lado são juntos conectados ao neutro (N) da rede de potência ou seu equivalente, em que os elementos de reatância são individualmente controláveis a partir de uma unidade de controle (2) configurada para controlar a tensão neutra do transformador de potência (3) ou seu equivalente no que diz respeito à amplitude e fase em relação ao próprio sistema de tensão do transformador de potência.
8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os ditos elementos de reatância compreendem três elementos de reatância, um em cada fase da fonte de tensão.
9. Uso do dispositivo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6 ou método de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizados pelo fato de que o propósito é compensar uma corrente de falha de terra.
10. Uso do dispositivo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6 ou método de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizados pelo fato de que o propósito é operação paralela com uma bobina de Petersen a fim de compensar a corrente de falha residual de terra que não é compensada pela própria bobina de Petersen.
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