PT2128951E

PT2128951E - Sistema electrónico de ligação à terra para utilização em redes de distribuição de alta tensão

Info

Publication number: PT2128951E
Application number: PT77047512T
Authority: PT
Inventors: Francisco José Pazos Filgueira; Aitor Amezua Ayarza
Original assignee: Ormazabal Prot & Automation S L; Iberdrola Distribucion Electrica S A
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2015-07-10
Also published as: EP2128951B1; EP2128951A1; WO2008090239A1; ES2538455T3; EP2128951A9; EP2128951A4

Description

DESCRIÇÃO "SISTEMA ELECTRÓNICO DE LIGAÇÃO À TERRA PARA UTILIZAÇÃO EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ALTA TENSÃO"

Campo da invenção A presente invenção refere-se a um sistema electrónico de ligação à terra para uma rede de distribuição que possa ser ligada em série a um neutro, que pode ser o neutro de transformadores de potência de subestações eléctricas ou um neutro criado a partir de elementos auxiliares com o objectivo de extinguir falhas transitórias monofásicas a terra, assim como detectar e localizar falhas tanto transitórias como permanentes monofásicas a terra em sistemas de distribuição de energia eléctrica de alta tensão.

Antecedentes da Invenção É um facto verificado quanto baste que um dos indices de medição do nivel de desenvolvimento de um pais é constituído pela energia consumida. Assim, é simples assumir que à medida que aumenta a procura de energia de um país, a infra-estrutura de geração, transporte e distribuição de electricidade torna-se mais complexa e difícil de gerir, complicando o controlo e as possíveis soluções dos incidentes e quebras de fornecimento, multiplicando assim as opções para os resolver.

Os cortes e interrupções do fornecimento têm um efeito negativo na forma com que o utilizador final percepciona a qualidade da energia fornecida. Portanto, é necessário que as empresas produtoras de energia eléctrica proporcionem um fornecimento da referida energia, com um elevado nível de qualidade que permita assegurar um funcionamento sem falhas de equipamento de alta tecnologia. As falhas de electricidade ocupam um lugar muito importante entre as diferentes causas de interrupção do fornecimento de electricidade. De acordo com dados estatísticos das empresas produtoras de energia eléctrica, a maioria das falhas nos sistemas de alimentação de energia são falhas monofásico a terra devido a diferentes causas: contacto de árvores e pássaros nas linhas, falhas dos isolantes, ruptura dos condutores, contaminação por devido a actividades industriais ou depósitos de sal nas áreas costeiras, vandalismo, etc.

Consequentemente, um dos mais importantes aspectos para reforçar o sistema de alimentação de energia contra falhas monofásico a terra consiste na existência de uma harmonia correcta entre a ligação à terra do neutro do transformador (ligação à terra operacional) e os diferentes dispositivos e a metodologia utilizada na protecção, detecção e localização das falhas eléctricas do monofásico. Em primeiro lugar, em relação à segurança das instalações, o tratamento do neutro não influencia as tensões e correntes operacionais nas redes com uma estrutura e carga simétrica (equilibrada). No entanto, no caso de falhas à terra, o comportamento da rede é essencialmente influenciada pelo tratamento do neutro, tendo-se que ter em consideração a corrente de defeito, as sobretensões e as tensões operacionais exigidas pelo equipamento e as respectivas dimensões. As correntes de terra, por um lado, afectam os sistemas vizinhos (redes de comunicações, redes de distribuição de gás e água...) e, por outro lado, envolvem um aumento do potencial de terra, o que pode representar um perigo para as pessoas.

Os requisitos técnicos de tratamento do neutro podem ser divididos em requisitos dependentes da corrente e requisitos dependentes da tensão.

Os requisitos dependentes da corrente são: • Correntes baixas • Pequenos efeitos de arco eléctrico, possivelmente com extinção automática do arco. • Pequenas influências noutras redes, por exemplo em linhas férreas e linhas de telecomunicações, redes de distribuição de gás e água. • Tensões de toque e de passo baixas no ponto da falha.

Os requisitos dependentes da tensão são: • Baixo aumento das tensões operacionais em condutores bons. • Uso de pára-raios com tensão nominal baixa. • Prevenção de falhas consecutivas através de um isolamento perfeito das fases. • Prevenção de sobre sobretensões após a ignição e extinção de um arco eléctrico e operações de ligação. • Prevenção de tensões desfasadas em operação sem falhas, mesmo com condutores múltiplos. • Prevenção de ferrorressonâncias após a eliminação da falha de terra e durante as manobras de ligação.

Além dos requisitos anteriores, que são importantes da perspectiva das empresas produtoras de energia eléctrica, da perspectiva do utilizador seria necessário ter em conta aspectos como os seguintes: • Alimentação de energia sem interrupção a cada consumidor • Compatibilidade com a alimentação de energia para processos industriais

De acordo com o nível de tensão, a estrutura da rede e também a taxa de falhas, estes requisitos não podem ser completamente satisfeitos. 0 tratamento do neutro dos transformadores de subestações de distribuição tem uma grande influência no funcionamento da rede, critérios de protecção da rede e, por conseguinte, na qualidade da alimentação. 0 referido tratamento do neutro é uma questão sujeita a constante pesquisa com o objectivo de satisfazer os requisitos dos sistemas modernos o máximo. Devido a aspectos técnicos e legais, o método de ligação à terra tem evoluído de forma diferente em países diferentes.

As diferentes tecnologias básicas aplicadas ao método de ligação à terra neutro podem ser resumidas em três das seguintes tecnologias: • Ligação à terra através de uma impedância: Pode ser atribuído um valor à impedância de sequência zero inserida deste modo, de forma que limite a corrente de curto-circuito e as sobretensões nas fases boas a valores pré-determinados. Com este objectivo, são utilizados diferentes graus de ligação à terra, desde um grau solidamente ou simplesmente aterrado a um grau de alta impedância. • Ligação à terra isolada: É um sistema sem ligação intencional à terra, excepto através dos indicadores de tensão, dispositivos de medição ou outros equipamentos com uma impedância muito elevada. Embora seja designado como isolado, este sistema está na realidade ligado à terra através da capacidade distribuída dos enrolamentos e condutores de fase. Em condições normais, o neutro de um sistema isolado com cargas equilibradas estará próximo do potencial de terra, mantendo-se assim a capacidade equilibrada entre cada condutor de fase e terra. • Ligação à terra compensada ou ressonante: Um sistema com ligação à terra ressonante é aquele em que a corrente de falta capacitiva gerada pelas entradas existentes entre o sistema e terra é neutralizada ou compensada através de uma corrente indutiva com um valor idêntico. Esta corrente indutiva é gerada através de uma reactância designada bobina de compensação ou bobina de supressão do arco ou neutralizador de falha de terra ou bobina de Petersen. Este tipo de reactância incorpora, nalguns casos, um controlo motor ou manual que permite o ajuste do respectivo valor de acordo com as necessidades do funcionamento da rede. 0 método de ligação à terra compensada baseia-se no pressuposto que, quando a corrente de falha possui um valor suficientemente baixo, existe uma elevada probabilidade de se auto-extinguir, desde que seja transitória. Partindo deste princípio, a principal vantagem deste tipo de ligação à terra reside na diminuição da circulação de corrente nas falhas monofásico a terra, de forma que a falha possa ser extinta sem a interrupção da alimentação de energia, desde que não seja permanente. 0 dispositivo de ligação à terra compensada, que é actualmente utilizado na bobina de Petersen, a solução definida na patente DE-304823-A, que é uma solução baseada num componente passivo, com capacidade de ser referido neste sentido.

Com base nesta solução foram concebidas diferentes alternativas que, empregando a mesma ideia de ligação à terra através de uma inductância, têm tentado aperfeiçoar algumas das caracteristicas da referida solução, em especial no que se refere à sintonia da bobina.

Uma das alternativas utilizadas utiliza uma inductância ajustável, permitindo o ajuste (limitado) de acordo com as alterações topológicas da rede, através de um controlo manual ou um motor que, agindo no núcleo magnético, permite a modificação do valor da inductância.

Outro aperfeiçoamento para o ajuste da bobina de Petersen é alcançado a partir da aplicação do cálculo definido na patente DE-10307668-B3, em que, provocando a circulação de duas correntes simultâneas com duas frequências diferentes através do neutro, são obtidos valores da corrente e tensão que permitem calcular a capacidade da rede na qual está instalada a bobina e, por conseguinte, a sintonia da inductância de terra de acordo com esta inductância, isto é, a injecção de corrente na rede é utilizada com o objectivo de ter medições que permitem a sintonia de um elemento passivo (bobina de Petersen) que será responsável pela extinção das falhas do sistema.

Em qualquer dos casos, todas as soluções consideradas até agora propõem modificações de controlo em relação a um sistema passivo, que não altera o principio do funcionamento da bobina de Petersen na extinção de falhas transitórias monofásicas do sistema eléctrico.

Uma bobina, enquanto sistema passivo, provoca uma circulação de corrente neutra forçada de acordo com a impedância que se encontra presente e com a tensão que ocorre nos respectivos terminais, em resultado de uma falha de terra ou um desequilíbrio entre as fases. Por conseguinte, um sistema passivo não tem qualquer capacidade para variar a circulação de corrente neutra, mas é, pelo contrário, imposta pela rede efectiva e pela situação.

Por outras palavras, as principais desvantagens envolvidas na utilização de um sistema passivo podem ser resumidas ao seguinte: - Circulação de corrente no neutro e na falha neutra dependente da tensão que ocorre no sistema. - Não é possivel controlar a tensão neutra no componente módulo, ângulo ou frequência. - Não permite o controlo da sobretensão gerada no neutro do sistema.

Além disso, o seu uso envolve uma limitação enquanto executa uma série de funções: • Dificuldade na localização da avaria ou falha. • Devido à compensação executada através de uma impedância no neutro que não permite a sintonia de acordo com os desequilíbrios de cada fase, são impostos requisitos de maior simetria nas capacidades fase-terra. • As falhas de alta impedância são difíceis de detectar devido à corrente baixa que circula pela falha quando a ligação à terra do sistema é compensada. • Uma extinção rápida da falha, em caso desta ser transitória, limita as possibilidades de detecção e localização, de forma que uma vez extinta deixa de ser possível obter qualquer informação adicional sobre a mesma. A título de exemplo do estado da técnica pode-se referir o pedido de patente japonesa JP2006109567A, que se refere a um aparelho supressor de corrente de falha a terra num sistema de distribuição de energia. Além disso, encontra-se descrito outro exemplo no pedido de patente EP0164321A1 que se refere a um dispositivo de limitação de correntes de fuga a terra numa rede de alimentaçao trifásica com um compensador entre um ponto neutro na rede e a terra.

Descrição da Invenção A invenção refere-se a um sistema electrónico activo de ligação à terra em redes de distribuição de alta tensão de acordo com a reivindicação 1. As realizações preferidas do sistema encontram-se descritas nas reivindicações dependentes. A presente invenção resolve o problema técnico considerado supra através de um sistema electrónico activo de ligação à terra definido na reivindicação 1.

Constitui um objectivo essencial desta invenção fornecer um sistema electrónico activo de ligação à terra que actua na circulação de corrente neste, controlando-a constantemente. Este controlo permite assim obter a corrente desejada de sequência zero no momento desejado, uma caracteristica utilizada pelo sistema para desenvolver uma série de funções. Além disso, ao contrário do que ocorre em sistemas passivos, não é a rede em si nem o desequilíbrio que pode existir nesta, nem sequer a falha causada conjuntamente com as impedâncias de terra que obriga a corrente que passa pelo neutro. É o sistema de terra em si que a define. Esta definição inclui a selecção do módulo e do ângulo, assim como dos componentes da frequência.

Constitui outro objecto da presente invenção apresentar um sistema electrónico activo de ligação à terra que controla a corrente que passa através da ligação à terra, alcançando a extinção de falhas transitórias monofásico a terra na rede através da injecção de corrente com a frequência de rede fO (de 50 Hz ou 60 Hz) e de falhas transitórias e permanentes monofásico a terra, identificando a linha com falha e a fase com falha, detectando falhas de alta impedância e localizando as falhas através de uma selecção adequada da injecção de componentes de frequência, o que permite obter medições mais precisas e mais estáveis das magnitudes da rede. 0 sistema da invenção permite assim obter uma tensão neutra controlada pelo tempo que o utilizador necessitar, auxiliando assim a manutenção correctiva e permitindo a manutenção preventiva e preditiva das linhas aéreas e cabos de distribuição de electricidade através da verificação do isolamento do sistema eléctrico. A invenção refere-se a um sistema electrónico de ligação à terra que pode ser ligado em série a um neutro e à ligação à terra de um transformador de potência em qualquer uma das suas configurações possíveis (ponto neutro do transformador, ponto neutro de um transformador de ligação à terra separado, ponto neutro de um transformador criador de neutro (zig-zag, Ynd...) ou impedância de terra, resistência, reactância, assim como uma combinação) alimentando uma ou mais linhas de uma rede de distribuição de alta tensão. De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é um sistema electrónico activo de ligação à terra, configurado para actuar numa corrente que passa através da referida ligação à terra, pelo que compreende: - meios de injecção de uma corrente que é constantemente controlada em termos de amplitude, fase e componentes frequência na referida ligação à terra.

Os referidos meios de injecção de uma corrente controlada compreendem: - pelo menos um elemento de captura de tensão e pelo menos um elemento de captura de corrente, estando os referidos elementos de captura de tensão e de corrente ligados para obter as seguintes medições: V^tensão neutra medida como queda de tensão entre o neutro \zf

e a terra da rede, cujo componente à frequência f é VN lN· corrente neutra medida directamente no neutro da rede, /f cujo componente frequência à frequência f é ] *QL· corrente de frequência zero de cada linha da rede medida directamente em cada uma dessas linhas, cujo componente y frequência à frequência fé e U " r©f; magnitude de referência correspondente à medição de uma tensão fase-a-fase da rede referida; compreendendo ainda o sistema: - pelo menos um sistema de protecção e de controlo a receber as magnitudes captadas ^ ^ref pelo menos um elemento de captura de tensão e do pelo menos um elemento de captura de corrente e que está configurado para calcular um valor da referida corrente que vai ser injectado dependente da função de um grupo de funções pré-estabelecidas para a qual o sistema está configurado, - e pelo menos um elemento electrónico conversor, cuja saida está ligada em série a referido neutro, que está configurado para gerar a referida corrente que vai ser injectada, cujo valor é calculado pelo sistema de protecção e de controlo, cujo conversor electrónico está configurado para injectar uma corrente com uma frequência entre 5 e fO Hz e um valor inferior a 20% da corrente capacitiva da rede e sendo esta corrente a impedância capacitiva equivalente total da rede

Xf yfo no componente de frequência f, Ce depois a fO, é calculado como:

em que yf ΛPATe a impedancia indutiva equivalente total do neutro da rede do componente de frequência f Φ„/ , vt< e o angulo de tensão neutra do componente de frequência f Φ, ζ , Ν e ο angulo de corrente neutra do componente de frequência f. 0 sistema electrónico activo de ligação à terra pode compreender um sistema de alimentação de energia que fornece ao referido conversor electrónico a tensão e a corrente que permite ao referido conversor electrónico fornecer uma energia pré-determinada, dependendo da função para a qual o sistema foi configurado, sendo a referida função seleccionada de um grupo de funções pré-estabelecidas. A capacidade para injectar uma corrente controlada na ligação à terra permite seleccionar o instante em que tal ocorre. A referida selecção permite que o sistema activo e, por conseguinte, também que um utilizador deste decidam executar as diferentes funções relacionadas com a protecção das instalações de distribuição eléctrica de alta tensão e executem uma manutenção correctiva, preventiva e preditiva das referidas instalações, funções essas que se encontram definidas abaixo: 1) Cálculo da capacidade da rede 0 cálculo da capacidade da rede em que o sistema de ligação à terra activo foi instalado permite obter o valor da capacidade equivalente total da rede (Xc). Como referido anteriormente o conversor electrónico está configurado para injectar uma corrente com uma frequência entre 5 e fO Hz e um valor inferior a 20% da corrente capacitiva da rede e, com base na medição da referida corrente, são calculadas a impedância capacitiva equivalente total da rede no componente de frequência f, Xfc e, com esta, a capacidade a fO Hz:

em que yf λρατ é a impedância indutiva equivalente total do neutro da rede do componente de frequência f Φ„ / , vt< e o angulo de tensão neutra do componente de frequência f Φ, z , N e o angulo de corrente neutra do componente de frequência f.

Além disso, e como complemento à forma anterior, o desequilíbrio natural do sistema eléctrico é medido com o objectivo de se obter a contribuição do referido desequilíbrio na capacidade total e sendo capaz de o tomar em conta nos diferentes modos de funcionamento ou funções e, por conseguinte cálculos que são executados. É necessário que o sistema activo de ligação à terra calcule a referida capacidade total da rede para executar uma injecção adequada durante o modo de manutenção e extinguir a falha. 2) Localização de uma falha do monofásico A localização de uma falha do monofásico tanto permanente como transitória pode incluir todas ou apenas algumas funções que permitem a localização da mesma. 0 sistema permite a determinação da existência de uma falha monofásica ao executar a seguinte verificação de uma sobretensão no neutro a valores de tensão efectiva a fO Hz:

em que

ytO ΛPAT é a impedância indutiva equivalente total do neutro da rede do componente de frequência fO Hz 1/ vN_ihm$tidíd É uma tensão limiar pré-estabelecida, ajustada pelo utilizador e cujo valor depende da configuração da rede, da impedância na ligação à terra e no desequilíbrio natural da rede.

Com base na detecção de uma falha do monofásico, o sistema activo de ligação à terra permite a identificação da fase com falha, tanto em falhas permanentes como transitórias, por vf0 comparaçao do ângulo da tensão neutra medida a fO Hz, ftí L/oc

Se for tomada como referencia a tensão fase-a-fase: • quando o Aí ângulo se situa entre 300 0 e 60 °, indica que a falha se encontra na fase B; V'° • quando o AF ângulo se situa entre 60 0 e 180 °, indica que a falha se encontra na fase A;

ynfO • quando o Aí ângulo se situa entre 180 0 e 300 °, indica que a falha se encontra na fase C. O sistema pode identificar a linha defeituosa em falhas tanto permanentes como transitórias. Com este objectivo, é injectada uma corrente controlada de frequência fe é executada a seguinte verificação para cada uma das linhas da rede:

em que f é um componente de frequência entre 5 e fO Hz, %_var_setting é a definição com que o utilizador define a variação permissível para que seja considerada uma situação de falha.

Além disso, permite ainda a medição da distância até ao ponto da falha, em falhas tanto permanentes como transitórias. Com este objectivo, é injectada uma corrente controlada de frequência f , com a qual podem ser executados os seguintes cálculos para obter o valor da distância de acordo com a impedância da linha:

em que

Zkmiine é a impedância da linha em falha em ohm/km; f é um componente de frequência entre fO Hz e 1000 Hz, e

Ω , i zL é o ângulo da impedância calculada. 3) Extinção de uma falha do monofásico transitória

Uma vez detectada e localizada, esta última só no caso de o utilizador o pretender, uma falha do monofásico transitória, esta falha é extinta. Com este objectivo, é calculada a corrente que deve passar pelo neutro da tensão na fase com falha que se pretende cancelar. Esta injecção vai provocar a circulação de uma corrente muito baixa pela falha, permitindo a auto-extinção desta. A corrente de fO Hz que será injectada quando o desequilíbrio natural do sistema não é tido em conta será:

(tem um desvio num ângulo Ω relativamente a SI^íbí) ti u f

se a tensão fase-a-fase ^RS for considerada como , Q será: 60 0 se a falha se encontra na fase A 300 0 se a falha se encontra na fase B 180 0 se a falha se encontra na fase C. 4) Modo de manutenção

Este modo de funcionamento permite executar a manutenção de equipamentos preditiva da rede na qual está instalado o sistema activo de ligação à terra desde que, através da injecção de corrente adequada, o ponto neutro da rede é levado à tensão desejada, criando as sobretensões e/ou subtensões correspondentes em cada uma das fases da rede. Este modo de funcionamento permite a verificação do isolamento e as fugas que possam existir nos cabos e linhas de distribuição do sistema eléctrico. 0 sistema permite assim a modificação controlada e por tempo indefinido das tensões de corrente fase-a-terra e neutro-a-terra através da injecção de uma corrente de fO Hz calculada a partir das seguintes expressões:

Corrente para compensar o desequilíbrio natural da rede:

O ângulO IcompNalJnbal : OcompNaUnbal que reSUlta em — QNIJnbal +90

Corrente para obter uma tensão desejada:

O ângulo IvDesired: QvDesired resultante em = QvDesired -9 0° em que

é a tensão à qual o neutro da rede será sujeito.

Por conseguinte, a corrente que será injectada pelo conversor será:

Um importante aperfeiçoamento da presente invenção em relação aos sistemas de ligação à terra (ou neutro compensado ou bobina de Petersen) ressonantes actuais reside na possibilidade de localização da falha, para falhas tanto permanentes como transitórias, que são extintas através da acção do sistema electrónico activo de ligação à terra.

Dado que utiliza sinais de frequências diferentes, o sistema pode detectar falhas de alta impedância que não podem ser detectadas por sistemas de protecção convencionais. Constitui uma considerável vantagem em comparação com a maioria dos sistemas actuais no que respeita à manutenção correctiva das linhas de distribuição de alta tensão aéreas. 0 sistema electrónico activo da invenção pode ainda incorporar funções de medição avançadas que permitem a detecção de fugas em isoladores, que não são falhas passíveis de ser detectadas por protecções convencionais ou contactos de elementos externos com a linha, que não provocam acções dos relés de protecção. Esta funcionalidade do sistema electrónico activo de ligação à terra fornece um auxiliar na manutenção preditiva dado que identifica potenciais situações de falha no sistema eléctrico.

Através da injecção de uma corrente à frequência de rede fO, com amplitude e fase controladas, o sistema electrónico activo de ligação à terra permite a extinção das falhas transitórias monofásico a terra que ocorrem na rede de alta tensão à qual está ligado, independentemente e sem limitar as possíveis alterações topológicas.

No caso de a rede tornar necessário compensar o próprio desequilíbrio, esta compensação é proporcionada pelo sistema electrónico activo de ligação à terra para minimizar a corrente da falha e aumentar as possibilidades de extinção.

Além disso, a capacidade para injectar corrente na frequência da rede com amplitude e fase controladas permite ao utilizador do sistema electrónico activo de ligação à terra o controlo das tensões fase-terra e neutro-terra do sistema de alta tensão ao qual está ligado. Permite-se assim reduzir ou aumentar de forma controlada as tensões fase-terra e, por conseguinte, as tensões que são aplicadas aos elementos da rede ligados entre as fases e terra. Uma redução da tensão no que respeita a terra numa das fases permite que a tensão aplicada nos isoladores da mesma seja menor, de forma que é possível prevenir o aparecimento de uma falha monofásico-a-terra. Por outro lado, ao aumentar a tensão de uma fase contra terra, o aparecimento de uma falha pode ser intencionalmente facilitado ou provocado e pode ser mantido na rede de forma que pode ser localizado e corrigido pelos responsáveis pela manutenção, sem interromper o fornecimento aos clientes. Estas situações podem ser mantidas indefinidamente, desde que as tensões nas outras fases não provoquem falhas no sistema de alimentação de energia.

Apesar de utilizar o princípio dos sistemas compensados para extinguir o arco e assim eliminar as falhas transitórias, o funcionamento da rede através de uma impedância média ou elevada mantém-se, permitindo esta funcionalidade eliminar a desvantagem da falta de fiabilidade e sensibilidade de um sistema compensado do tipo actualmente utilizado.

Além disso é possível prolongar por um tempo mínimo a extinção da falha a fim de a detectar e localizar (somente no caso de o utilizador o pretender) antes que desapareça.

Finalmente, é necessário ter em conta que o sistema electrónico activo de ligação à terra não inclui qualquer elemento mecânico que possa ser danificado ou necessitar determinada manutenção para o adaptar às condições variáveis do funcionamento da rede.

Descrição dos Desenhos

Para complementar a descrição presentemente apresentada e com o objectivo de auxiliar uma melhor compreensão das características da invenção de acordo com uma realização prática preferida da mesma encontra-se em anexo um conjunto de desenhos como parte integral da referida descrição, na qual o seguinte foi apresentado com um carácter ilustrativo e não-limitador: A figura 1 apresenta esquematicamente diferentes sistemas passivos de ligação à terra, para ligação à terra do neutro de transformadores de potência conhecidos do estado da técnica. A figura 2 mostra um unifilar de uma possível ligação de um transformador de potência a um barramento de uma subestação, uma possível disposição do sistema electrónico activo de ligação à terra da invenção e as linhas, alimentadas pelo transformador, ligadas ao barramento. A figura 3 mostra uma representação esquemática de uma possível realização do sistema electrónico activo de ligação à terra objecto da invenção.

Realização Preferida da invenção A figura 1 apresenta esquematicamente diferentes sistemas passivos de ligação à terra, para ligação à terra do neutro de transformadores de potência habituais do estado da técnica. a) Sistema isolado. b) Ligação à terra através de impedância resistiva. c) Ligação à terra através de impedância reactiva. d) Ligação à terra através de resistência e impedância de reactância combinadas. e) Ligação à terra através de reactância ou transformador zig-zag. f) Ligação à terra sólida. g) Ligação à terra através de uma bobina de compensação ou bobina de Petersen. A figura 2 mostra um unifilar simplificado de uma possível ligação de um transformador de potência (12) ao barramento (14) de uma subestação de uma rede de distribuição de electricidade a partir da qual é alimentada uma série de linhas (13), uma possível disposição do sistema electrónico activo de ligação à terra (11) da invenção em relação ao neutro (17) da rede. 0 sistema electrónico activo de ligação à terra (11), objecto da invenção, numa realização possível apresentada na figura 3 compreende um conversor electrónico monofásico (1), um transformador de ligação em série (2), um sistema de alimentação de energia (3), uma resistência (4), uma inductância 815) no secundário do transformador de ligação (2) , uma protecção e um sistema de controlo (8), elementos sensores da voltagem (6), elementos de captura de corrente (7), um interface do utilizador (9) e um elemento de manobra (10) para fazer ponte com o sistema, tal como um interruptor de derivação. 0 sistema activo de ligação à terra (11) pode ser constituído como um sistema contido num único recipiente ou através de envolvimento autónomo, com possibilidade de ser montado e testado de fábrica, minimizando as operações de instalação e de ligação no local e assegurando uma maior fiabilidade do funcionamento do sistema.

Ligação dos diferentes elementos do sistema electrónico activo de ligação à terra A missão do transformador de acoplagem em série (2) consiste em adaptar a tensão e configuração do conversor electrónico (1) ao sistema de alimentação da subestação. Um transformador monofásico é o mais habitual embora, dependendo das funcionalidades da subestação, possa não ser necessário ou possa ser necessário um transformador com diferentes funcionalidades. O enrolamento primário do transformador de acoplagem (2) está ligado em série à terra ou impedância de terra -directamente ou através de qualquer sistema - e ao neutro (17) da rede. Este neutro (17) tanto pode ser o neutro do transformador de potência (12) da subestação eléctrica em qualquer uma das suas configurações possíveis (estrela do transformador, estrela de um transformador de ligação à terra separado, . . . ) e um neutro criado a partir de elementos auxiliares: estrela de um transformador que cria um neutro com base numa ligação zig-zag, estrela de um transformador que cria uma ligação Ynd, uma impedância de ligação à terra resistiva ou indutiva (5) ou uma combinação destas, etc. A saída de um conversor electrónico monofásico (1) está ligado no enrolamento secundário do transformador de acoplagem (2), conversor esse que gera uma corrente de diferentes frequências de acordo com as necessidades do sistema, tendo capacidade de ligação em série e/ou em paralelo de uma impedância (15).

Uma resistência (4) é ligada e desligada em paralelo com o conversor electrónico (1) através de um comutador (5) para o propósito amortecimento de transitórios contra uma falha no sistema. 0 sistema de alimentação de energia (3) fornece a energia necessária ao sistema electrónico activo de ligação à terra (11) para esta operação. A saida do conversor electrónico (1) é formada por uma corrente monofásica directa para inversor de corrente alterna. 0 conversor electrónico (1) fornece corrente alterna à frequência ou combinação de frequências necessária em cada momento pelo sistema de protecção e controlo (8), sendo este sistema de protecção e controlo (8) capaz de ser ligado ao conversor electrónico (1) ou integrado no mesmo, de forma que possui uma arquitectura distribuída ou concentrada fisicamente. Esta funcionalidade permite a adaptação do sistema às diferentes necessidades de subestações eléctricas. 0 sistema electrónico activo de ligação à terra (11) possui elementos de captação de tensão (6) e elementos de captação de corrente (7) que fornecem medições das magnitudes das linhas (13) ligadas ao barramento (14) da subestação, assim como as medições das magnitudes da tensão entre o neutro e terra e a corrente que passa através da ligação à terra. Os elementos de captação (6, 7) podem encontrar-se fora do sistema, por conseguinte, os que melhor se adaptam às cargas e tensões podem ser instalados em cada instalação.

Para tirar o máximo proveito da funcionalidade que este sistema electrónico activo de ligação à terra (11) pode fornecer existe um interface do utilizador (9) , através do qual são recolhidas todas as informações obtidas pelo sistema activo de ligação à terra (11), são actualizados os dados empregues, se define o funcionamento e se verifica a condição da unidade do sistema eléctrico.

Para colocar o sistema electrónico activo de ligação à terra (11) fora de serviço para operações de manutenção no sistema eléctrico ou para o funcionamento da subestação num regime neutro excluindo a ligação à terra activa-tanto devido a critérios operacionais ou devido a possíveis falhas no sistema electrónico activo de ligação à terra (11)-este último inclui um elemento de manobra ou interruptor de derivação (10) , que faz a ponte entre o primário do transformador de acoplagem (2), permitindo prosseguir o funcionamento da subestação sem necessitar de modificar as definições das protecções ou o funcionamento do sistema. O sistema electrónico activo de ligação à terra (11) pode estar contido num único invólucro, sendo apenas acessíveis os fios de ligação à terra do transformador de potência (12), a entrada para a alimentação de energia do sistema, o interface do utilizador (9) , os fios dos sinais dos elementos de captação da tensão (6) e elementos de captação de corrente (7) e o sinal do controlo do interruptor de derivação (10). O sistema electrónico activo de ligação à terra (11) é ainda equipado com um (oumais) interface (s) do utilizador (9), o qual pode incluir uma unidade constituída por um teclado, ecrã e porta de comunicações para ligação de equipamento terminal de dados e/ou sistema de comunicação de dados, até mesmo um software que permita ao utilizador obter dados acerta do funcionamento do sistema, obter parâmetros operacionais deste e programar os parâmetros.

Funções do sistema electrónico activo de ligação à terra O sistema electrónico activo de ligação à terra (11) descrito permite executar funções relacionadas com a protecção de instalações de distribuição de electricidade de alta tensão, assim como manutenção correctiva, preventiva e preditiva das referidas instalações, sendo as funções que podem ser executadas ser agrupadas no seguinte: 1) Cálculo da capacidade da rede

Para calcular a capacidade da rede, o conversor electrónico (1) injecta uma corrente com uma frequência entre fO Hz e 5 Hz . O valor da corrente é suficientemente baixo para não causar qualquer perturbação no sistema eléctrico, em especial tendo em conta que a sobretensão causada no neutro aumenta com a diminuição do componente de frequência que é injectado. Por conseguinte, não é maior do que 20% da corrente capacitiva da rede mas também não é menor do que a precisão dos elementos de medição (6, 7, 8 e 1).

Este cálculo é executado com base nas seguintes equações gerais: em que yf te é a impedancia capacitiva equivalente total da rede do componente de frequência f

XLr I “f é a impedância indutiva equivalente total do neutro da rede do componente de frequência f <*v ' ^ é o ângulo de tensão neutra do componente de frequência f Φ .

IsJ é o ângulo de corrente neutra do componente de frequência f.

Depois de obtido o valor anterior, a injecção de corrente no neutro ((17) é parada.

Após cada cálculo da capacidade equivalente total da rede é necessário obter o desequilíbrio natural do sistema eléctrico, dado que ambos os valores se complementam mutuamente. Este valor corresponde à tensão neutra medida quando não se verifica qualquer injecção ou falha do sistema: VNUnbai 2) Localização de uma falha do monofásico a) Detecção da existência de uma falha do monofásico A principal função que determina a existência de uma falha do monofásico no sistema eléctrico consiste na verificação de uma sobretensão no neutro, isto é, quando a tensão medida no neutro excede um limiar que será definido pelo utilizador (definição) e que irá depender da configuração da rede, da impedância na ligação de terra e do desequilíbrio natural da rede. A seguinte verificação é executada no valor de tensão efectivo a fO Hz:

b) Detecção da fase com falha

Uma vez detectada a existência de uma falha do monofásico no sistema eléctrico, a fase com falha é determinada por meio (Vf6} da comparaçao do angulo da tensão neutra medida a fO Hz ' N /·.

Se for tomada como referência a tensão fase-a-fase Urs : •quando o ângulo se situa entre 300 0 e 60 0 ->A falha

encontra-se na fase B ν'™

• quando o ângulo w se situa entre 60 0 e 180 0 ->A falha encontra-se na fase A \/f0

• quando o angulo ^ se situa entre 180 0 e 300 0 ->A falha encontra-se na fase C c) Detecção da linha (13) com falha

Uma vez detectada a situação de falha, uma corrente controlada com frequência entre fO e 5 Hz. A referida injecção de corrente a uma frequência inferior à da rede permite melhorar a precisão dos valores obtidos do componente resistivo no que respeita ao componente react ivo (X=l/(2.n.f. C) ) da rede. Além disso, dado que são frequências não-naturais da rede, não há contribuições das cargas do sistema eléctrico e permite a discriminação da linha afectada. A corrente a injectar deve ser suficientemente baixa para que a tensão causada pela injecção não implique valores perigosos para o funcionamento do sistema eléctrico, isto é, será inferior a 20% da corrente capacitiva da rede mas superior ao valor minimo para ser medido com precisão pelos elementos de medição (6, 7, 8 e 1) . A detecção da linha (13) com falha é obtida a partir de da seguinte verificação de cada uma das linhas na rede:

em que f é um componente de frequência entre 5 e fO Hz %_var_setting é a definição com que o utilizador irá definir a variação permissivel para que seja considerada uma situação de falha. c) Localização da falha

Para localizar a falha, injecta-se uma corrente de frequência entre fO Hz e 1.000 Hz no neutro. O intervalo de frequência permite melhorar a medição das indutâncias em comparação com as capacidades. Além disso, a sobretensão provocada no neutro durante a injecção é menor com o aumento da frequência, por conseguinte será possível executar injecções entre 10% e 100% da corrente capacitiva. A partir de uma série de cálculos com base na proporcionalidade entre a distância até à falha e a impedância da falha medida, os referidos valores da distância são obtidos de acordo com a impedância da linha (13):

em que

Zkmiine é a impedância da linha em falha em ohm/km; f é um componente de frequência entre fO Hz e 1000 Hz, e Ω-f i , Λ e o angulo da impedancia Z£ol calculada. 3) Extinção de falhas do monofásico Para extinguir uma falha, é injectada uma corrente que é calculada a partir da capacidade da rede que, quando o desequilíbrio natural do sistema não é tido em conta, será:

TT~f (tem um desvio num angulo Ω relativamente a ) ~ 71— li j se a tensão fase-a-fase Urs for tomada como ®*:, Ω sera:

60 0 se a falha se encontra na fase A

300 0 se a falha se encontra na fase B 180 0 se a falha se encontra na fase C. 4) Modo de manutenção O controlo da tensão neutra para a aplicação do referido valor na medida em é necessário para executar as forças de manutenção, tendo em conta o desequilíbrio natural do sistema ( ) . A corrente que vai ser injectada pelo sistema electrónico activo de ligação à terra (11) a soma vectorial das duas correntes calculada como indicado abaixo.

Corrente para compensar o desequilíbrio natural da rede:

O ângulo ds IcompNatUnbal I ΩοοπιρΝ3ΜΓΛ3ΐ rSSUltândO ΘΓΠ — QNUnbal +9 0° Corrente para obter uma tensão desejada:

o ângulo de IvDesired: QVDesired resultante em = QVDesired -9 0° em que é a tensão à qual o neutro da rede será sujeito. Por conseguinte, a corrente que será injectada pelo conversor será:

REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de referências citadas pelo requerente é apenas para a conveniência do leitor. A mesma não faz parte do documento de Patente Europeia. Embora tenha sido tomado muito cuidado na compilação das referências, não se poderão excluir erros e omissões e o EPO nega qualquer responsabilidade neste sentido.

Documentos de Patente citados na descrição • DE 304823 A [0013] • DE 10307668 B3 [0016] • JP 2006109567 A [0021] • EP 0164321 Ai [0021]

Lisboa,04/06/2015

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Sistema electrónico de ligação à terra que pode ser ligado em série a um neutro (17) e à ligação à terra de um transformador de potência (12) em qualquer uma as suas possíveis configurações, numa rede de distribuição de alta tensão, em que o referido sistema electrónico de ligação à terra é um sistema electrónico activo de ligação à terra (11) configurado para actuar numa corrente que passa pela referida ligação à terra, compreendendo o referido sistema electrónico activo de ligação à terra (11) meios de injecção de uma corrente que é constantemente controlada em termos de componentes de amplitude, fase e frequência na referida ligação à terra, em que os referidos meios de injecção de uma corrente compreendem pelo menos um elemento de captação de tensão (6) e pelo menos um elemento de captação de corrente (7) e pelo menos um sistema de protecção e controlo (8) que recebe as magnitudes captadas */ T- 1 71 > ( vN> w !0L· ^/sfí) do pelo menos um elemento de captaçao de tensão (6) e do pelo menos um elemento de captação de corrente (7) e que está configurado para calcular um valor da referida corrente que será injectado, caracterizado por os referidos elementos de captação da tensão e da corrente (6, 7) serem configurados de forma a obter as seguintes medições: : tensão neutra medida como a queda de tensão entre o neutro (17) e terra da rede, cujo componente frequência à „ Vf frequência f e w : corrente neutra medida directamente no neutro da v rede, cujo componente frequência à frequência f é W; í f0L : corrente de sequência zero de cada linha (13) da rede medida directamente em cada uma dessas linhas, cujo ΥΓ componente frequência à frequência fé 0L e 77 . : magnitude de referência correspondente à medição de uma tensão fase-a-fase da rede referida, o sistema electrónico activo de ligação à terra (11) compreendendo ainda: e pelo menos um elemento electrónico conversor (1), cuja salda está ligada em série a referido neutro (17), que está configurado para gerar a referida corrente, cujo valor é calculado pelo sistema de protecção e de controlo (8), cujo conversor electrónico (1) está configurado para injectar uma corrente com uma frequência entre 5 e fO Hz, sendo para a frequência nominal de rede e o respectivo valor é inferior a 20% da corrente capacitiva da rede e com tal corrente a impedância capacitiva equivalente total da rede no componente \ζί xto de frequência f, e depois a fO, C é calculado como:

em que xf PAT é a impedância indutiva equivalente total do neutro da rede do componente de frequência f Φ„> . . e o angulo de tensão neutra do componente de frequência φ,ί f sé o ângulo de corrente neutra do componente de frequência f.
2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda um sistema de alimentação de energia (3) que alimenta o referido conversor electrónico (1) com tensão e corrente de forma que este execute a injecção correspondente de acordo com a função que deve ser executada.
3. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações 1-2, caracterizado por permitir a determinação da existência de uma falha do monofásico permanente ou transitória, ao executar a seguinte verificação de uma sobretensão no neutro a valores de tensão efectiva a fO Hz:

em que ^PAT é a impedância indutiva equivalente total do neutro da rede do componente de frequência fO Hz VN_threshoid é uma tensão limiar pré-estabelecida, ajustada pelo utilizador e cujo valor depende da configuração da rede, da impedância na ligação à terra e no desequilíbrio natural da rede.
4. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações 1-2, caracterizado por permitir a identificação da fase com falha, tanto em falhas permanentes como transitórias, por comparação vF do ângulo da tensão neutra medida a fO Hz, Λ e se a tensão fase-a-fase ^RS for tomada como : • quando o angulo w se situa entre 300 0 e 60 °, indica que a falha se encontra numa fase B; • quando o ângulo N se situa entre 60 0 e 180 °, indica que a falha se encontra numa fase A; UfQ • e quando o ângulo N se situa entre 180 0 e 300 °, indica que a falha vai encontrar-se numa fase C.
5. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações 1-4, caracterizado por permitir a identificação da fase com falha, tanto em falhas permanentes como transitórias, para o qual é injectada uma corrente controlada de frequência f e é executada a seguinte verificação para cada uma das linhas (13) da rede:

em que f é um componente de frequência entre 5 e fO Hz %_var_setting é a definição com que é definida a variação permissivel para que seja considerada uma situação de falha.
6. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações 1-2, caracterizado por permitir a medição da distancia até ao ponto de falha, tanto em falhas permanentes como transitórias, para o qual é injectada uma corrente controlada de frequência f , com a qual podem ser executados os seguintes cálculos para obter o valor da distância de acordo com a impedância da linha:

em que Zkmiine é a impedância da linha em falha em ohm/km; f é um componente de frequência entre fO Hz e 1000 Hz, e

é o ângulo da impedância calculada.
7. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações 1-2, caracterizado por permitir a extinção de uma falha transitória do monofásico na rede, por meio de uma injecção controlada de intensidade no neutro, calculada para cancelar a tensão da fase na falha.
8. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações 1-2, caracterizado por permitir a modificação controlada e por tempo indefinido das tensões de corrente fase-a-terra e neutro-a-terra da rede através da injecção de uma corrente de fO Hz calculada a partir das seguintes expressões: Corrente para compensar o desequilíbrio natural da rede:

o ângulo de IcompNatunbai: ΩοοπιρΝ3ΜΓΤ3ΐ resultando em = QNUnbai + 90° Corrente para obter uma tensão desejada:

o ângulo de IvDesired: QVDesired resultante em = QVDesired-9 00 em que ^VDesímá é a tensão à qual o neutro da rede será sujeito, por conseguinte, a intensidade que será injectada pelo conversor será:
9. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o referido sistema (11) está contido num único invólucro.
10. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o referido sistema está contido em invólucros independentes.
11. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações 1-10, em que o referido neutro (17) é um neutro do transformador de potência (12) .
12. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações 1-11, em que o referido neutro é um neutro criado a partir de elementos auxiliares. Lisboa, 04/06/2015