BRPI0804330A2 - método para religamento tripolar rápido em linhas de transmissão com compensação reativa em derivação - Google Patents

Abstract

MéTODO PARA RELIGAMENTO TRIPOLAR RáPIDO EM LINHAS DE TRANSMISSãO COM COMPENSAçãO REATIVA EM DERIVAçáO A presente invenção descreve um método para controle de sobretensões durante a manobra de religamento de linhas de transmissão com compensação reativa em derivação. Após o disjuntor abrir uma LT, a interação entre a admitância transversal da linha e a indutância do reator de compensação reativa faz com que a tensão entre os pólos do disjuntor assuma forma oscilatória (batimento). O ponto ótimo para voltar a fechar o disjuntor corresponde à região onde a amplitude do batimento da tensão entre os pólos do disjuntor é mínima. O método desenvolvido apresenta maior segurança na determinação da primeira região de mínimo do batimento, independente da passagem da onda de tensão por zero. Tal procedimento permite também contar com maior margem de tempo para operar o disjuntor já que a detecção da região ótima para o religamento ocorre com vários ciclos de freqLiência fundamental deantecedência. Este método deve ser incorporado na lógica de controle de um relé digital para religamento tripolar de linhas de transmissão gerando um novo relé digital para religamento tripolar adaptativo de linhas de transmissão com compensação reativa em derivação.

Description

MÉTODO PARA RELIGAMENTO TRIPOLAR RÁPIDO EM LINHAS DETRANSMISSÃO COM COMPENSAÇÃO REATIVA EM DERIVAÇÃO

CAMPO DA INVENÇÃO

O fenômeno físico responsável pelas sobretensões de manobra emLinha de Transmissão (LT) é a propagação das ondas eletromagnéticas aolongo das linhas. Os efeitos negativos causados por essas sobretensõespodem ser consideravelmente reduzidos controlando-se a abertyra efechamento dos contatos dos disjuntores de forma que a manobra sejarealizada em um instante ótimo pré-determinado, tomando-se como referênciasinais elétricos de tensão entre os contatos do disjuntor.

Para ilustrar o campo da invenção, um sistema elétrico exemplo émostrado no diagrama unifilar da Figura 1, o qual compreende um equivalentedo sistema elétrico representado por fonte ideal 1, linha de transmissão 2,reatores de compensação 3 e disjuntor 4.

O sistema exemplo tem tensão nominal de 500 kV e freqüênciaindustrial de 60 Hz. A linha de transmissão permite o transporte de energiaatravés de suas três fases denominadas fase A, fase B e fase C.

O disjuntor 4 modelado possui três comandos monopolaresindependentes cada um associado a uma fase. O disjuntor irá efetuar ainterrupção da corrente entre o sistema elétrico 1 e a linha 2.

Os reatores em derivação 3 são dimensionadas para absorver parteda potência reativa capacitiva geradas pelas linhas de transmissão quando emvazio ou em operação sob carga leve.

O disjuntor 4 isola o sistema elétrico 1 da linha 2 quando os contatos(pólos) das três fases são abertos. Após um tempo os contatos das três fasessão religados (fechados). No instante do religamento ocorre uma variaçãobrusca na tensão da rede surgindo tensões maiores do que as normais e queirão desaparecer após alguns ciclos da freqüência fundamental (sobretensõestransitórias). Estas sobretensões se propagam ao longo das linhas do sistemaelétrico. O religamento trifásico (tripolar) de linhas de transmissão é umamanobra muito freqüente no sistema de transmissão e pode ocasionarsobretensões transitórias muito severas.

Uma solução tradicional para minimizar as sobretensões transitóriasgeradas pelo religamento trifásico é o uso do resistor de pré-inserção cujoarranjo de atuação é tal que quando a linha de transmissão é religada,inicialmente, fecha-se um contato auxiliar que insere o resistor de pré-inserçãoem série com a linha de transmissão. Ao inserir o resistor a tensão que seriaimposta sobre a linha é dividida entre a linha e o resistor e as sobretensõestransitórias, função da tensão aplicada na linha, serão menores. Após um breveperíodo de tempo fecha-se um contato principal, curto-circuitando desta formao resistor e trazendo para a linha a tensão plena do sistema. Esta solução,embora seja efetiva, tem o inconveniente do alto custo de fabricação emanutenção.

Os efeitos negativos causados por sobretensões de manobra podemser consideravelmente reduzidos controlando-se o fechamento dos contatosdos disjuntores de forma que as manobras sejam realizadas em instantesótimos pré-determinados, tomando-se como referência valores da tensão entreos contatos do disjuntor.

No religamento trifásico os contatos do disjuntor devem ser fechadosquando a tensão entre os mesmos for mínima. Este instante varia segundo aconfiguração da rede e pode ser determinado mediante um algoritmo emfunção dos sinais de tensão medidos entre os contatos do disjuntor. Aimplementação desta solução se beneficia do fato de que a onda de tensãoentre os contatos do disjuntor assume forma oscilatória (batimento) devido àinteração entre a admitância transversal da linha e a indutância dos reatoresem derivação, existindo uma faixa ótima na onda de tensão para religar odisjuntor correspondente à região na qual a amplitude do batimento da tensãoé mínima.

TÉCNICAS RELACIONADAS

Atualmente, para o controle de sobretensões na manobra dereligamento tripolar de linhas de transmissão, de maneira geral, utiliza-se oresistor de pré-inserção que embora seja um método efetivo apresenta baixaconfiabilidade, além do alto custo agregado à fabricação e à manutenção dosdisjuntores.

Na publicação da IEEE Transactions on Power Delivery de Abril,1997: uControIIed Closing on Shunt Reactor Compensated Transmission Lines.Part I: Closing Control Device Development' é descrito um dispositivo decontrole que identifica a primeira região de amplitude mínima do batimento eenvia uma ordem para o disjuntor fechar na próxima região semelhante.

De acordo com este método, inicialmente os sinais de tensão do ladoda linha e do lado da fonte são obtidos, estes sinais são monitorados numintervalo de tempo (normalmente num período da freqüência fundamental)proporcionando um primeiro conjunto de dados. Estes dados são armazenadose um novo conjunto de dados é adquirido. Ambos os conjuntos sãocomparados entre si. Se os dois conjuntos de dados não forem iguais, umterceiro conjunto de dados é adquirido e assim por diante. Quando asequivalências são encontradas entre dois conjuntos de dados, a periodicidadedos sinais é concluída e a região de mínimo identificada.

Segundo o método acima citado, os instantes ótimos a seremconsiderados para religamento correspondem à passagem por zero da tensãono período de menor amplitude do batimento destes sinais. Por conseguinte talmétodo identifica a primeira região de amplitude mínima e envia uma ordempara o disjuntor fechar na próxima região semelhante.

Este método não é satisfatório porque o fechamento somente iráocorrer após a primeira região de amplitude mínima, o que implica em umtempo maior da linha fora de serviço. Além disso, a redução da sobretensão émenor quando o fechamento ocorre para as regiões de amplitude mínimasubseqüentes, fazendo com que seu desempenho fique semelhante ao métododo resistor de pré-inserção.

O documento de patente US 5.361.184 revela um controladorseqüencial adaptativo para controlar um disjuntor ou outro dispositivo dechaveamento para eliminar transitórios em uma linha de distribuição causadapor fechamento e abertura do disjuntor. O dispositivo adaptativo compensa asmudanças no tempo de resposta do disjuntor devido ao envelhecimento eefeitos do meio ambiente. Um transformador de potencial fornece um sinal dereferência correspondente à passagem pelo zero da forma de onda de tensão,e um circuito comparador de mudança de fase que compara o sinal dereferência com o tempo em que qualquer transitório foi produzido quando odisjuntor estava fechado, gerando um sinal indicativo de que um ajusteadaptativo deve ser feito. Similarmente, em relação à abertura do disjuntor, umtransformador de corrente fornece um sinal de referência que é comparadocom o intervalo de tempo para o transitório ser detectado enquanto o disjuntorestava aberto. Um circuito de ajuste adaptativo produz uma compensação detempo que é apropriadamente modificado para considerar as mudanças naresposta do disjuntor, incluindo efeitos de desgaste e intempéries. Na aberturaou fechamento subseqüente, o disjuntor é ativado num tempo apropriadamentecompensado, para que feche quando a tensão passar pelo zero e abra quandoa corrente passar pelo zero, minimizando quaisquer transitórios na linha dedistribuição. O ângulo da fase pode ser usado para controlar a abertura dodisjuntor relativo ao sinal de referência fornecido pelo transformador depotencial.

Similarmente, a patente US 5.627.415 é também relacionada a umatécnica de controle de sobretensão a qual considera a primeira passagem pelozero do sinal de tensão, depois da detecção do sinal de abertura/fechamento,inicia uma série de etapas pré-determinadas e temporizadas que reduzem oueliminam a sobretensão depois de abrir/fechar um disjuntor em uma linha dealta tensão.

Ainda sobre o assunto em questão, controle de sobretensão emlinhas de transmissão, a patente US 5.629.869 descreve um disjuntorinteligente ou dispositivo comutador que compreende três unidadescomputadorizadas separadas, incluindo uma unidade de monitoramento decondição (CMU, do inglês condition monitoring unit) 40, uma unidade decontrole de disjuntor (BCU, do inglês breaker control unit) 50, e uma unidade decontrole simultâneo (SCU, do inglês synchronous control unit) 60. O CMU 40,fornece um diagnóstico detalhado a partir do monitoramento de quantidadeschaves associadas à confiabilidade do disjuntor ou dispositivo comutador.

Análises on-line executadas pelo CMU fornecem informações facilitando odesempenho de manutenção de acordo com a necessidade e a identificaçãode falha iminente. A BCU 50 é um sistema programável com auto-diagnótico ecomunicações remotas. Tal unidade substitui controles eletromecânicosconvencionais tradicionalmente usados no controle de disjuntores oudispositivos comutadores. A SCU 60 provê controles simultâneos de dispositivocomutadores para abertura e fechamento de interruptores do circuito. Osprocessos de controle realizados minimizam o efeito da variação transitória dosistema e de desgaste do interruptor. O disjuntor inteligente ou dispositivocomutador aperfeiçoa a operação do sistema e manutenção do equipamento.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção tem por objetivo descrever um método paracontrole de sobretensões durante a manobra de religamento de linhas detransmissão com compensação reativa em derivação, que opera a partir de ummétodo para identificar com bastante antecedência a região ótima na tensãopara o chaveamento do disjuntor, permitindo fechar o mesmo já no primeiromínimo do batimento da tensão entre os contatos do disjuntor após o tempomorto de atuação da proteção. O método permite considerar a dispersão e acaracterística dielétrica do disjuntor durante a operação de fechamento, pois aregião de mínimo do batimento é maior que alguns ciclos da freqüênciafundamental.

Este método deve ser incorporado em um relê digital para controlar oreligamento tripolar rápido de linhas de transmissão com compensação reativa.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A Figura 1 apresenta o diagrama unifilar de um sistema elétrico.

A Figura 2 apresenta a forma da onda de tensão das três fases (A, Be C) entre os terminais dos contatos do disjuntor de uma linha de transmissãocom 90% de compensação em derivação, onde se encontra destacada a regiãode menor amplitude de batimento.

A Figura 3 apresenta um diagrama de blocos para chaveamentocontrolado do religamento de LT com compensação reativa em derivação.

A Figura 4 apresenta um gráfico com a forma de onda da diferençade potencial entre os terminais dos contatos da fase A do disjuntor.

A Figura 5 apresenta um gráfico com o valor eficaz da diferença depotencial entre os pólos do disjuntor.

A Figura 6 apresenta um gráfico onde o instante de abertura dodisjuntor é identificado.

A Figura 7 apresenta um gráfico dos instantes de crescimento edecaimento do sinal filtrado após a abertura do disjuntor.

A Figura 8 apresenta um gráfico com a identificação do primeirosemiciclo.

A Figura 9 apresenta um gráfico que gera o tempo de duração doprimeiro semi-ciclo do sinal filtrado.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

O método proposto desenvolvido na presente invenção se propõe aotimizar o instante de religamento trifásico dos disjuntores, reduzindo aamplitude das sobretensões. Desta forma o disjuntor pode ser fechado maisrapidamente diminuindo o tempo de interrupção do transporte de energia.

A presente invenção identifica com bastante antecedência o instanteótimo para o chaveamento do disjuntor na manobra de religamento tripolar,permitindo fechar o disjuntor já no primeiro mínimo do batimento após o tempomorto de atuação da proteção. O modelo permite considerar a dispersão e acaracterística dielétrica do disjuntor durante a operação de fechamento, pois aregião de amplitude de mínimo batimento é maior que um ciclo de freqüênciafundamental.

O procedimento executado no método aqui descrito apresenta maiorsegurança na determinação do primeiro período de menor batimento,independente da passagem da onda de tensão por zero. Tal procedimentopermite também contar com maior margem de tempo para operar o disjuntor jáque a detecção da região de mínimo ocorre com vários ciclos de freqüênciafundamental de antecedência.

A principal vantagem de se utilizar o método desenvolvido é adiminuição significativa dos níveis de sobretensão na manobra de religamentocomparada com as técnicas utilizadas, devido ao fechamento do disjuntor noprimeiro mínimo do batimento. O método aqui descrito deve ser codificado emum relê digital destinado ao religamento tripolar de linhas de transmissão,incorporando o novo procedimento de religamento tripolar adaptativo no códigoque anteriormente religava a linha baseado no tempo morto em que atuava emconjunto com o resistor de pré-inserção. O método descrito dará origem a umnovo relê digital.

Após a ocorrência de uma falta na linha de transmissão, a proteçãoirá proceder à abertura tripolar, ou seja, das três fases da linha, isolando otrecho sob falta. Como a grande maioria das faltas que atingem as linhas detransmissão não são permanentes após um tempo pré-definido a proteção iráreligar o trecho de linha aberto para garantir a continuidade do fornecimento deenergia.

Quando um disjuntor opera na função de abrir uma linha em vazio, acorrente capacitiva da linha é interrompida ao passar pelo zero e quando istoocorre, a tensão na linha estará passando pelo seu valor máximo deixandouma carga residual na linha, que não é igual nas três fases. A fase que primeirointerrompe a corrente pode chegar a ter uma tensão de até 1,3 p.u. e, a menosque esta carga seja drenada por um transformador, um reator, ou uma carga, alinha permanecerá carregada por muito tempo.

Se a linha for religada antes da carga residual ter sido drenada e oscontatos do disjuntor fecharem quando a tensão do sistema estiver compolaridade oposta à da linha, a sobretensão transitória será elevada.

O decaimento da carga de uma linha em vazio quando da nãoexistência de equipamentos conectados a terra ou de carga é muito lento,sendo governado pelas condições climáticas e ocorrendo através doescoamento da carga pela cadeia de isoladores. Desta forma, a linha mantém-se carregada com praticamente sua tensão máxima por um longo período apósa interrupção da corrente, sendo este tempo da ordem de 2 a 5 minutos para adescarga total da linha podendo atingir 15 minutos em condições muito secas.Se o religamento da linha acontecer nestas condições as sobretensões noterminal receptor da linha podem atingir valores muito altos que podemocasionar efeitos negativos tais como a redução da vida útil dos equipamentos,a degradação da qualidade da energia fornecida pelo sistema elétrico e aimposição de restrições operativas tornando proibitivas algumas manobras.

Quando a linha é compensada com reatores em derivação, o grau decompensação tem um efeito importante na forma de onda da tensão entre ospólos do disjuntor. Devido ao circuito formado entre a admitância transversal dalinha e a indutância dos reatores em derivação, a tensão entre os pólos dodisjuntor assume forma oscilatória (batimento) com composição entre afreqüência fundamental do sistema de um lado do contato do disjuntor com afreqüência natural da linha e equipamentos de compensação do outro lado docontato do disjuntor. O período de batimento depende do grau decompensação da linha. A perda da carga do trecho de linha em vazio produzum amortecimento na amplitude da tensão no decorrer do tempo sendo adescarga função do fator de qualidade do reator. Como resultado a amplitudedo batimento entre os contatos do disjuntor tende a diminuir, mas a amplitudeda região de mínimo do batimento aumenta com o tempo. Em função destascondições, a região ótima nas ondas de tensão entre os pólos do disjuntor parareligar o disjuntor corresponde aos primeiros intervalos de menor amplitude dobatimento da tensão, conforme ilustra a Figura 2, onde encontra-se destacadaa primeira região de mínimo do batimento.

O método desenvolvido para o fechamento rápido controlado durantea manobra de religamento tripolar de LT com compensação reativa emderivação fecha os pólos do disjuntor na região do primeiro mínimo dobatimento da tensão entre os pólos do disjuntor. Para tanto se elabora umalgoritmo, descrito com detalhe a seguir, que identifica o instante ótimo para oreligamento com bastante antecedência.

O programa Power System Computer Aided Design(PSCAD/EMTDC) é utilizado para implementar e avaliar o procedimentodesenvolvido. A linguagem Continuous System Model Functions (CSMF) doprograma PSCAD é utilizada na implementação das rotinas para ochaveamento controlado, as quais proporcionam uma interação dinâmica emtempo de execução com o próprio PSCAD, permitindo a simulação dedispositivos de controle tal como requerido para o desenvolvimento do trabalho.

A rotina CSMF permite uma maior flexibilidade nas simulações, demodo que o estado do sistema pode ser modificado dinamicamente durante asimulação a partir de programas (ou modelos) implementados nestas rotinas.

O algoritmo desenvolvido para implementar um método defechamento controlado de linhas de transmissão durante a manobra dereligamento tripolar é detalhado através do diagrama de blocos apresentado naFigura 3. A partir deste diagrama são feitas as seguintes explicações:

• As tensões de um sistema de potência são monitoradasconstantemente por transformadores de potencial (TPs). Para efeitos desimulação trabalha-se com a tensão real do sistema, mas no caso deimplementação do algoritmo desenvolvido nos equipamentos de proteçãoserão utilizadas grandezas reduzidas transformadas pelos TPs. Por outro lado,mesmo sendo o sistema trifásico, o algoritmo necessita da tensão somente deuma das fase, a qual emitirá o sinal para operar o religamento das três fases.

• Mediante um medidor de tensão, disponível no PSCAD, se medea tensão no lado do sistema e a tensão no lado da linha. Assim a forma deonda da diferença de potencial entre os terminais do disjuntor aberto pode serdeterminada (Figura 4).

• Através de um tratamento digital é possível obter o valor eficaz dadiferença de potencial entre os pólos do disjuntor (Figura 5), o que é feito noPSCAD através de uma função pré-definida. Este sinal, por sua vez é tratadopor um filtro eletrônico.• Em seguida, o sinal filtrado é amostrado utilizando umcomparador disponível no PSCAD, o qual compara duas entradas de nível,permitindo que seja identificado o instante de abertura dos pólos do disjuntor(Figura 6).

• A seguir são identificados os instantes de crescimento edecaimento do sinal filtrado após a abertura do disjuntor (Figura 7).

• Gera-se um sinal que tem valor unitário durante o primeiro semi-ciclo do sinal filtrado e valor negativo após o primeiro semi-ciclo. (Figura 8).

• Com estes resultados pode-se calcular a duração do primeirosemi-ciclo do sinal filtrado. (Figura 10).

• Finalmente se duplica o valor deste semi-ciclo obtendo-se aduração do período do batimento.

Logo após a abertura dos contatos do disjuntor, o relê deve ajustar otempo do religamento para um valor muito elevado, podendo ser este valor de60 s. No instante em que o sinal lógico da identificação do semi-ciclo forconcluído uma ordem é fornecida para que o tempo do religamento sejasubstituído pelo período do batimento identificado. Pode-se observar que aidentificação do instante ótimo do fechamento é obtido com vários ciclos defreqüência fundamental de antecedência, possibilitando um ajuste adicional, senecessário, devido à dispersão dos pólos e à característica dielétríca dodisjuntor. O intervalo ótimo para o religamento tripolar é composto por váriosciclos da freqüência fundamental, tendo o método proposto um longo períodopara efetuar as correções e os ajustes que se façam necessários.

A invenção aqui descrita não está limitada a essa concretização e,aqueles com habilidade na técnica irão perceber que, qualquer característicaparticular nela introduzida, deve ser entendida apenas como algo que foidescrito para facilitar a compreensão e não podem ser realizadas sem seafastar do conceito inventivo descrito. As características Iimitantes do objeto dapresente invenção estão relacionadas às reivindicações que fazem parte dopresente relatório.

Claims (4)

1.- Método para religamento tripolar adaptativo rápido de disjuntor aplicadoa linha de transmissão que tenha compensação reativa em derivação,caracterizado por operar segundo as seguintes etapas:- Calibração do relê para ajustar tempo do religamento para valor típicoelevado após a abertura da linha.- Medição de tensões entre os contatos do disjuntor através detransformadores de potencial (TPs);- Obtenção do valor eficaz da tensão entre os pólos do disjuntor;- Filtragem do valor eficaz para eliminação das harmônicas elevadas;- Identificação do instante de abertura do disjuntor;- Identificação do primeiro semi-ciclo do sinal filtrado;- Identificação da duração do primeiro semi-ciclo do sinal filtrado;- Obtenção da duração de um ciclo de batimento; e- Ajuste do tempo de religamento, igualando-o ao tempo do ciclo dobatimento.

2.- Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de queo valor típico elevado é de 60 s.

3.- Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fatode que se obtém a tensão eficaz do batimento da diferencia de potencial entreos terminais do disjuntor, a partir deste sinal se determinará o primeiro semi-ciclo do batimento e se calcula o tempo ótimo para o religamento.

4.- Método, de acordo com a reivindicação 1 a 3, caracterizado pelo fato deser incorporado preferencialmente em um relê digital.