WO2017035614A1

WO2017035614A1 - Método de proteção de distância para linhas de meio comprimento de onda e uso do mesmo

Info

Publication number: WO2017035614A1
Application number: PCT/BR2016/000083
Authority: WO
Inventors: Maria Cristina Dias Tavares; Renzo Grover Fabián ESPINOZA
Original assignee: Universidade Estadual De Campinas - Unicamp
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2017-03-09
Also published as: BR102015021673B1; BR102015021673A2

Abstract

A presente invenção se refere a um método de proteção de distancia para linhas de meio comprimento de onda. O referido método utiliza algoritmos de correção para calcular as impedâncias aparentes, a fim de gerar corretamente zonas de proteção de distância, uma vez que a proteção de distância tradicional não é adequada para proteger uma linha de transmissão muito longa (1000-3000 km), pois cobre apenas a seção inicial da linha, porque as impedâncias aparentes calculadas pelo relé não correspondem a curvas lineares para faltas ao longo da linha. Além disso, o método utiliza quadripolos trifásicos para detectar defeitos no meio da linha e para identificar se a falta está dentro ou fora da linha.

Description

MÉTODO DE PROTEÇÃO DE DISTANCIA PARA LINHAS DE MEIO COMPRIMENTO DE ΟΜ)Ά E USO DO MESMO

CAMPO DA INVENÇÃO

[1] A presente invenção se insere no campo da Engenharia, mais especificamente na área da Engenharia Elétrica, especialmente na transmissão de. energia elétrica era corrente alternada (CA) e assuntos relacionados, e descreve urtt método de proteção de distância para linhas de meio comprimento de onda, bem como o seu uso.

[2] O método tem aplicação desde linhas eletricamente curtas até linhas muito longas, especialmente aquelas denominadas de "meio comprimento de onda", com comprimentos superiores a 2500 km (para 60 Hz ou 3000 km para 50 Hz) ou linhas muito longas compensadas, que se comportem como linhas de meio comprimento de onda. Estes comprimentos são típicos para linhas aéreas, mas correspondem a comprimentos muito menores no caso de: linhas formadas unicamente ou parcialmente por cabos subterrâneos.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[3] A presente invenção se refere a um método capaz de fazer a correção das impedâncias aparentes para posterior aplicação da proteção de distância convencional. Em linhas inferiores a 700 km as impedâncias aparentes podem ser descritas por curvas lineares. Porém, em linhas superiores a 700 km estas impedâncias aparentes perfazem caminhos nâo- lineares, mais especificamente circulares, motivo pelo qual não é possível utilizar zonas de proteção convencionais se antes fazer u a. correção. Cora a correção apres.enfca.da no presente método as técnicas de proteção de distância semelhantes às convencionais podem ser aplicadas. [4] Neste tema, o documento US20140200726 está relacionado a um método de proteção de distância de linhas transmissão paralelas aplicável tanto a linhas transmissão com compensação em série quanto a linhas não compensadas, usando um relê de distância. Co o pode ser observado, o método descrito em tal documento é focado em linhas duplas de comprimento de poucas centenas de quilómetros, especificamente até 400 km._: O cálculo convencional das impedâncias aparentes não deve ser aplicado para as linhas muito longas em análise porque a impedância destas linhas (até meio comprimento de onda) não corresponde a curvas lineares e não é possível identificar as zonas de proteção pelo modo convencional. O princípio de que a distância da falta é proporcional à impedância calculada não é aplicável nestes casos. De maneira diferente, o método proposto na presente invenção é focado em linhas de meio comprimento de onda. Além disso, o método proposto fa.z u a correção no cálculo das impedâncias aparentes para elas serem proporcionais à distanciei da falta e, desta forma, poderem utilizar as zonas de proteção de distância de uma maneira análoga à convencional.

[5] O documento US77ÍG698 diz respeito a um relê de proteção para um método e sistema de distribuição de energia elétrica. Conforme observado, o método descrito em tal documento é focado em linhas de distribuição de energia, e era resolver problemas de saturação nos transformadores de corrente. Diferentemente, o método descrito na presente invenção é focado em linhas de tensões muito mais elevadas, ditas de_: transmissão, e de comprimento muito maiores. Adicionalmente, o método proposto faz uma correção no cálculo das impedâncias aparentes para elas serem proporcionais à distância da. falta e, desta forma, poderem utilizar as zonas de proteção de distância de forma análoga às linhas cartas.

[6] 0 documento US8022709 refere-se a um método e sistema para determinar uma característica circular para a proteção de distância de uma linha trifásica, determinando zonas de proteção circulares para serem usadas na proteção de distância baseadas nas impedâncias calculadas. 0 foco do trabal o é diferente e ainda mais, as impedâncias aparentes precisam de um fator de correção que o referido método não identifica nem implementa. Já o método proposto na presente invenção é focado no cálculo das impedâncias aparentes para serem usadas na proteção de distância das linhas muito longas. Além disso, faz uma correção no cá culo das impedâncias aparentes para elas serem proporcionais à distância da falta e desta forma pode e utilizar as zonas de proteção de distância tradicional.

[7] 0 documento US8159229 revela um método de compensação de carga para ioops fase-para-terra em proteção de distância. Conforme observado, o método descrito em tal documento visa fazer uma compensação no alcance das zonas de proteção dependendo da carga do sistema. Entretanto, tal. método não fornece uma proteção para linhas de meio comprimento de onda. De forma contrária, o método proposto na presente invenção faz correções nos cálculos das impedâncias aparentes para elas serem proporcionais à distância da falta e desta forma poderem utilizar as zonas de proteção de distância, independente da carga da linha.

[8] O documento OS4821137 refere-se a circuitos de relés de proteção para. uso em sistemas de distribuição de energia em corrente alternada (CA) e, mais particularmente ,. a relés de distância para proteção da linha de transmissão. 0 cálculo convencional das impedâncias aparentes, tem problemas porque: _a. impedância de linhais muito longas (como as linhas de meio comprimento de onda) não corresponde a curvas lineares e não é possível identificar as zonas de proteção do modo convencional. Diferentemente, o método proposto na presente invenção é aplicável para linhas curtas, longas, muito longas e até linhas de meio comprimento de onda. Além disso, o método proposto faz uma correção no cálculo das impedâncias aparentes para elas serem proporcionais à distancia dai falta e, desta forma, poderem utilizar as zonas de proteção- de distância.

[9] 0 documento CN103390385A refere-se a um método de proteção de distância para introduzir oscilação de bloqueio lógico do sistema de energia. Tal método permite a atuação da proteção de distância quando se tem uma oscilação de potência. Entretanto, este método não fornece uma proteção de distância para linhas de meio comprimento de onda. Já o método proposto na presente invenção tem foco em linhas de meio comprimento de onda e faz uma correção no cálculo das impedâncias aparentes para elas serem proporcionais á distância, da falta e, desta forma, poderem utilizar as zonas de proteção de distância.

[10] O trabalho de Xiao propõe um método de proteção para linhas de meio comprimento de onda de corrente diferenciai. Entretanto, tal método precisa a informação (correntes) dos dois terminais da iinha_:. Uma vez que a linha é muito longa, esta informação irá demorar um tempo muito superior ao convencional para atingir o terminal mestre. Ά presente invenção não apresenta conflito cora tal documento, pois propõe um algoritmo de proteção de distância e não urna proteção diferencial para linha de meio comprimento de onda. Além disto, o método proposto na presente invenção só precisa das tensões e correntes de um terminal da linha de: transmissão para proteger a linha.

[11] 0 artigo de Fahíán mostra estudos feitos para proteger o teste de energizaçào sem carga de uma linha de meio comprimento de onda usando relés disponíveis no mercado. 0 método proposto na presente invenção não serve só para a. energização, mas para a linha e operação com diferentes níveis de carga. 0 referido artigo é baseado em uma linha de meio comprimento de onda sem carga (ou em vazio) . .Já na presente invenção o método serve para a linha era operação em todos os perfis de carga e não somente para a linha em vazio, ou seja, é adequado para todas as condições de carregamento da linha, incluindo a sem carga.

[12] 0 documento em nome de Tavares não menciona proteção da linha, apenas propõe fazer um teste no sistema integrado brasileiro. Além disso, tal documento não fala de métodos de proteção de linha de transmissão. Diferentemente, a presente invenção propõe um método de proteção de distância para linhas muito longas e extremamente longas, especificamente para linhas com comprimento superior a 700 km, incluindo as linhas de comprimento acima de 250G km (par 60 Hz) e acima de 3000 km (para 50 Hz) .

[13] Portanto, em vista dos documentos mencionados acima, o e-se concluir que nenhuma tecnologia do estada da técnica resolve suficientemente o problema de proteção de distância para linhas de meio comprimento de onda, o que sustenta o impacto do presente pedido de patente nesta aplicação . Em linhas muito longas a impedância aparente tem comporta ento não linear, o que impede o correto uso de zonas de proteção convencionais.

[14] Desta, forma, o método proposto na presente invenção serve para proteger linhas de transmissão de energia de grande comprimento elétrico. Para isto, é necessário calcular as impedâncias aparentes de tal forma que tenham um comportamento linear e crescente em linhas maiores do que 700 km para correta aplicação de proteção de distância semelhante à convencional. A invenção desenvolvida é robusta o suficiente ao se aplicar desde linhas curtas até linhas muito longas, e com ou sem compensação.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[15] A presente invenção descreve um método: capaz de fazer a correção das impedâncias aparentes para posterior aplicação da proteção de distância convencional. Em linhas superiores a 700 km estas impedâncias aparentes perfazem caminhos não-lineares, mais especificamente circulares, motivos pelo qual não é possível se utilizar zonas de proteção convencional sobre elas, sem antes faze uma correção. A partir de parâmetros conhecidos da linha (de sequência zero e positiva) é possível fazer essa correção que fornece impedâncias aparentes lineares e proporcio is à distância da falta onde podem ser usadas zonas de proteção de distância convencionais.

[16] Ainda, para linhas muito grandes, seu comportamento apresenta-se de forma cíclica a cada 2500 km, de modo que as impedâncias para 10 km se assemelham a 2.510 km, por exemplo. Este segundo problema é resolvido através da utilização de quadripolos trifásicos que se baseiam nas três tensões s nas três correntes monitoradas em diversos pontos da linha a partir de um terminal.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Figura 1 : Impedâncias aparentes do loop Ã-B calculadas com a formulação tradicional quando faltas A-B acontecem ao longo da linha de 2600 km.

Figura 2: Impedâncias aparentes do loop A-B calculadas usando a primeira fase de correção do algoritmo proposto quando faltas A-B acontecem ao longo da linha de 2600 km.

Figura 3: Impedâncias aparentes do loop A-B calculadas com a correção completa do algoritmo proposto quando faltas A-B acontecem ao longo da linha de 2600 km.

Figura : Impedâncias aparentes do loop A-G calculadas usando a correção proposta para impedâncias fase-terra. Neste caso usaram-se para a i.iteração que calcula os valores de i¾ e ¾ os comprimentos listados na descrição da invenção.

Figura 5: Impedâncias aparentes do loop A-G calculadas usando a correção proposta para impedâncias fase-terra. Neste caso usaram-se para a iteração que calcula os valores de i¾ e Ki comprimentos de 20 em 20 km.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

ver que os caminhos que elas fazem para faltas ao longo da linha não são lineares como quando as linhas têm comprimentos menores do que 700 km.

[18] Estes caminhos são trajetórias circulares, motivo pelo qual não é possível colocar zonas de proteção de distância convencionais sobre elas. O método proposto na presente invenção faz uma correção para obter impedâncias aparentes onde a filosofia de proteção de distância tradicional possa ser utilizada. Das formulações é possível deixar em evidencia a variável l^alc como;

trad c ona s para as impedâncias aparentes. Para calcular adequadamente l^caLc e não obter descontinuidades é necessário usar corretamente a definição de tanh^-1 para funções com lex

[20] Desta forma é possível ter l^calc como um número complexo crescente e contínuo para faltas ao longo da linha (com pequeno componente imaginário e parte real crescente) .

[21] Para obter impedâncias que possam ser usadas co a filosofia convencional da proteção de distância, usam-se parâmetros pré-calculados da mesma linha de transmissão, porém, para um sub-múltipio da frequência de operação, neste caso para 4 Hz cujo comprimento de onda será 15 vezes maior do que quando a linha opera com 6Q Hz, então a linha de meia onda em 4 Hz será uma linha curta. Os parâmetros calculados são a impedância de sequência positiva e a constante de propagação de sequência positiva.

[22] É necessário ressalta que estes parâmetros são calculados teoricamente a partir dos dados de construção da linha. Então, é possível obter as impedâncias que tenham uma característica linear com a seguinte equação:

Z^4Hz = _cl ^4H tanh(y₁ ^4í/^ l_caicuiaáo}

[22] A presente invenção resolve o problema apresentado pelo componente que calcula as impedâncias aparentes em relés de distância convencionais. O método de cálculo de impedâncias proposto obtém as impedâncias para uma frequência muito baixa (indica-se o valor de 4 Hz) onde o comprimento de onda é muito maio do que para frequência de 60 Hz (ou 50 Hz.) e, portanto, os problemas de não linearidade das impedâncias são resolvidos. As variáveis de entrada são os fasores de tensão fase-terra e corrente de fase das três fases do sistema (em 6:0 Hz ou 50 Hz) j¾, V_B, _c>l^,l_B,I_c], além dos parâmetros (constante de propagação ^, " e impedância característica ^¾ _C") de sequência positiva e zero da linha para 6-0 Hz e de sequência positiva para 4 Hz : [yj^{60 Hz}, γ₀ ⁶⁰ , 7^^Hz , Z^^Hz,γ^^ζ,Z^^Z ] . Desta forma o método fornecerá como saldas as impedâncias aparentes fase-terra e fase-fase:

que têm comportamento linear e proporcional à distância da falta. O referido método compreende as seguintes etapas:

a) Redefinir a função de variável complexa tanh^"1 de acordo com a formulação que se descreve abaixo. O elemento direcíonal deverá informar se a falta foi reversa ou para frente .

íog(z)— logjzj +j Arg{z) + j 2nk

Se a falta é reversa, k——1

Se a falta é para frente, k— 0 Arg{z € [0; 2ττ)

b) Para impedâncias fase-fase ver a descrição que começa no item (c) e para impedâncias fase-terra, a descrição que começa no item (f ) .

c) Calcular as impedâncias fase-fase baseado na formulação tradicional. :

ular as distâncias aparentes l_calc de acordo com:

e) Calcular as impedâncias aparentes para 4 Hz segundo a seguinte formulação:

f5 Calculam- se as constantes K_} e Κ_υ, para isto é necessário¹ um processo iterativo:

1. Calcula-se a matriz M de parâmetros ABCD trifásicos (também chamada de matriz de quadripolos trifásicos) a partir dos parâmetros da linha para os seguintes comprimentos (estes pontos podem ser ajustados) :

t = [l, 500,700,1000,1100,1200,1250,1300,1600, 2000, 2300]. 2. Estimam-se as tensões das três fases nos pontos do vetor l a partir das tensões e correntes no terminal onde tem-se a medição usando â seauinte formulação :

Onde :

A¹ = H^→Â^01ZH

B^l = H~^XB^01ZE

H

3. Escolhe-se i_&ase como o comprimento do vetor /. pelo qual se obteve a menor magnitude de tensão da fase testada .

4. Calculam-se os parâmetros k_t e k₂ de acordo com a seguinte formulação: l_bass)

5. Finalmente, calculam-se os parâmetros K_{ e K_v através da seguinte formulação:

,

Zç°^Hz] usando a seguinte formulação:

yô HZ _ {V_A + K_U V } / /(/_β + ¾/₀)

h}^: Calculam-se a-s distâncias aparentes l_caic de acordo cora :

i) Calculam-se as impedâncias aparentes para 4 Hz segundo a seguinte formulação :

∑ = Z_c ⁴ tanh(y₁ ^{4te aíc})

H²^ iMyi^n!z l^cc^aÍC)

}: As impedâncias a serem usadas na proteção de distância são [_¾«*,Z%^m _fZ *,Z ²,Z%*,Z ) e deve ser usada a impedância Z*^Hz (impedância de sequência positiva por unidade de comprimento da linha calculada para 4 Hz) como referência para tracejar as zonas de proteção de distância. Todo o sistema: deve ser transladado para o plano de frequência de 4 Hz.

[24] Com as novas impedâncias calculadas é possível usar a filosofia de proteção de distância convencional para gerar as zonas de proteção na linha. Resta resolver um problema, de qualquer forma as impedâncias aparentes têm um comportamento cíclico a cada 2500 km, sendo as impedâncias para 10 km semelhantes para 2510 km. Para resolver isto, usam-se quadripolos trifásicos que baseado nas três tensões e nas três correntes num terminal. Isto possibilita monitorar tensões em determinados pontos da linha que são usados como bandeiras para identificar se uma falta aconteceu dentro ou fora da linha*

EXEMPLO DE CONCRETIZAÇÃO

[25] Ά Figura 1 mostra, as impedâncias do ioo A-B quando faltas entre, as fases A-B com resistência de falta 0,01 Ω acontecem ao longo da linha. As impedâncias foram calculadas usando a formulação tradicional, é possível ver que não existe correspondência linear entre a distância da falta e a impedância calculada.

[26] Ra Figura 2 pode-se ver a primeira correção feita peio nosso algoritmo proposto que é levar as impedâncias para uma baixa frequência que no caso é 4 Hz . Agora já. existe um comportamento linear, mas é possível ver a descontinuidade, para faltas na metade da linha, as impedâncias pulam para valores negativos. Isto deve-se ao domínio d função tanh^"1 que usualmente é {—π; π]. .0 algoritmo proposto usa [0; 2π) e já na Figura 3 pode-se ver as impedâncias finais onde há um comportamento linear e proporcional à distância da falta onde zonas de proteção de distância podem ser usadas.

[27 ]^: Para faltas fase-terra, as impedâncias calculadas usando a formulação tradicional náo têm comportamento linear nem proporcional à distância da falta, ainda é mais difícil de descrever do que a do caso fase-fase. A correção para as impedâncias de fase-terra são mais complexas, mas partem do principio do caso anterior, só que para cada caso é necessário calcular as constantes K_j e fy que são calculadas interativaraente como mostrado na etapa de descrição do algoritmo. O processo iterativo dependerá da precisão requerida o que comprometerá o tempo de processamento.

[28] a Figura 4 mostra-se a correção de impedâncias usando o vetor de iterações mostrado na descrição do algoritmo. Já na Figura 5 mostra-se a correção feita usando um vetor com intervalo a cada 10 km o que retorna valores mais exatos de K; e Κ_{υ r} permitindo uma correção mais fina da distância .

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de proteção de distância para linhas de meio comprimento de onda caracterizado pelo fato de compreender ás seguintes etapas de:

a) definir a função de variável complexa tanh~^A ;

b}_: para impedâncias fase-fase utilizar as etapas iniciando em c). e para impedâncias fase-terra utilizar as etapas iniciando em f)

c) calcular as impedâncias fase-fase baseado na formu1ação tradicional;

d) calcular as distâncias aparentes l_caic '

e) calcular as impedâncias aparentes para 4 Hz;

f) calcular as constantes K_; e K_u ;

g) calcular as impedâncias de fase [Z , Zf^hz, Zf*^Bz] ; h) calcular as distâncias aparentes l_cai '

i) calcular as impedâncias aparentes para 4 Hz; e j) usar a impedância Z\ ^z co o referência para trazejar as zonas de proteção de distância.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da função de variável complexa tanh^-1 ser calculada conforme a fórmula:

(1 + z

log

tanh (ζ)

log(z) - l.ogjz| - j Argiz) + / 2n k

3. Método, de acordo com. a reivindicação 1, caracterizado peio fato das impedâncias fase-terra serem calculadas conforme a seguinte formulação:

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato das distâncias aparentes l_ccUc serem calculadas conforme abaixo:

5. Método, de acordo cora a reivindicação — f caracte iaado pelo fato das impedâncias aparentes para 4 hz serem calculadas conforme a seguinte formulação:

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato das constantes K) e Κ_υ serem calculadas conforme o seguinte processo iterativo:

cálculo da matriz de parâmetros ABCD trifásicos a partir dos parâmetros da linha para os comprimentos l ~

[1, 500, 700, 000, 1100, 1200, 1250, 1300, 1600, 2000, 2300]

estimação das tensões das três fases nos pontos do vetor l a partir das tensões é correntes no terminal onde tem-se a medição conforme a formulação Vf^c ~ A^%V_s ^bc - B^xlf^DC ;

escolha de U_Jase como o comprimento do vetor l ; cálculo dos parâmetros k_x e k₂ conforme as formulações

k _ cosh(>¾ l_base /

¹ / COShÍYi lbase)

k _ COs (y₀ l_base I

¹ / sm (Y₁ l_base)

cálculo dos parâmetros K> e. K_v conforme as formulações

7. Método , de acordo com reivindicação 1 , caracterizado pelo fat impedâncias d fase

serem calculadas conforme a seguinte formulação^: :

8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato das distâncias aparentes l_cai_c serem

:alculadas conforme a seguinte formulação: ic lc l icaaic icalc _

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato das impedâncias aparentes para 4 Hz serem calculadas conforme a seguinte formulação:

zJ^Kz =^{. H:f} tanhfo* ** í ^íc)

10. Uso do método conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de cobrir a lacuna existente para linhas cora comprimentos superiores a 700 km e possibilitar a correção das impedâncias medidas para utilização de zonas de proteção convencionai.