GRUPO X GR UPO DE ESTUDO DE SOBRETENSÕES E COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO (GSC)

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1 GSC/ a 26 de Outubro de 2001 Campinas - São Paulo - Brasil GRUPO X GR UPO DE ESTUDO DE SOBRETENSÕES E COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO (GSC) ESTUDOS DE TRANSITÓRIOS ELETROMAGNÉTICOS PARA A ENERGIZAÇÃO DE UM AUTOTRANSFORMADOR DE 550/230kV 600 MVA E INFLUÊNCIA DO COMPORTAMENTO TRANSITÓRIO DE COMPENSADORES ESTÁTICOS E SISTEMAS DE PROTEÇÃO Antonio Roseval F. Freire * Sylvia de Almeida Barros Sérvulo de Oliveira Pinto Lourival Barbosa Filho COMPANHIA HIDRO ELÉTRICA DO SÃO FRANCISCO CHESF RESUMO Neste trabalho apresenta-se os resultados dos estudos e análises realizadas para a energização em vazio de um autotransformador de 550/230/13,8kV 600 MVA pela barra de 230kV de uma subestação com potência de curto-circuito de 1200 MVA, utilizando um disjuntor convencional. São ressaltados a influência do comportamento transitório de compensadores estáticos na magnitude e amortecimento das sobrecorrentes transitórias e os efeitos dessas sobrecorrentes no desempenho das proteções de transformadores e de compensadores estáticos. Além disso, são apresentados os resultados da análise comparativa de alternativas como a utilização de um disjuntor com chaveamento controlado ou resistor de pré-inserção. PALAVRAS-CHAVE Energização de transformadores, Transitórios eletromagnéticos, Sobrecorrentes, Compensador estático, Proteções. INTRODUÇÃO No novo ambiente do setor elétrico brasileiro a operação do sistema em tempo real, incluindo a coordenação, supervisão e controle, o planejamento da operação elétrica de curto e médio prazo e o plano de ampliações e reforços da Rede Básica, estão sob a responsabilidade do ONS (1). Por outro lado, as empresas de transmissão são proprietárias dos ativos e disponibilizam para o ONS as instalações da Rede Básica, incluindo os transformadores com tensão nominal maior ou igual a 230kV, tendo a responsabilidade de operar e manter essas instalações de acordo com os Procedimentos de Rede. Pela disponibilização desses equipamentos, as empresas de transmissão recebem uma receita fixa e regulada, e são submetidas a penalizações financeiras pelas indisponibilidades, programadas ou não. Além disso, as empresas de transmissão são responsáveis pela definição e implantação dos ajustes das proteções associadas às instalações, sendo penalizadas pelos desligamentos provocados por atuações dessas proteções. A manobra de energização de transformadores em vazio pode gerar sobrecorrentes transitórias elevadas, devidas aos fenômenos de inrush e interação simpática entre transformadores (2), (3). A amplitude e o amortecimento das sobrecorrentes dependem das características não lineares do núcleo e do grupo de ligação dos enrolamentos, da configuração e características do sistema de transmissão e, também, dos instantes de fechamento dos pólos do disjuntor com relação à onda de tensão. A circulação pelo sistema de correntes transitórias com forte conteúdo harmônico pode provocar o aparecimento de sobretensões sustentadas em vários pontos do sistema. As sobretensões e sobrecorrentes transitórias resultantes das manobras podem causar os seguintes efeitos :! Solicitações elevadas ao isolamento dos equipamentos, com riscos de danificação.! Atuação indesejada de proteções de sobretensão, com desligamento de equipamentos e instalações.! Disparo de pára-raios convencionais sem resselagem, ou dissipação de energia elevada em pára-raios ZnO, causando degradação excessiva ou até danificação desses equipamentos.! Solicitações eletromecânicas nos enrolamentos do transformador manobrado, podendo provocar alterações físicas e até falhas.! Atuação indesejada de proteções de sobrecorrente de fase e neutro do transformador manobrado ou de outros equipamentos do sistema, com desligamento de equipamentos e instalações. *CHESF Rua Delmiro Gouveia 333, Bongí, Sala A333, Recife-PE, Brasil, CEP Tel. (0xx81) Fax (0xx81) roseval@chesf.gov.br

2 - 2 -! Degradação da Qualidade da Energia provocada pela redução da componente de 60Hz e elevação do valor de crista das tensões. Os rebatimentos diretos na disponibilidade, integridade e vida útil dos equipamentos, e as responsabilidades das empresas de transmissão no novo ambiente, caracterizam a importância da realização de estudos elétricos para a energização de transformadores em vazio, visando definir características adequadas para a especificação dos equipamentos, inclusive limites de suportabilidade, definir condições mínimas de operação para que os limites não sejam violados, subsidiar a definição de ajustes de proteções que minimizem os riscos de desligamentos indesejados e para fornecer elementos para os estudos sistêmicos sob a responsabilidade do ONS. Com esta visão a CHESF realizou estudos de transitórios eletromagnéticos para analisar a viabilidade da energização em vazio de um autotransformador de 550/230/13,8kV 600 MVA, com enrolamento terciário ligado em delta fechado, pela barra de 230kV da subestação de Fortaleza. A viabilidade desta manobra apresenta a vantagem de tornar mais rápido e flexível o processo de recomposição do eixo de 500kV da área Norte do sistema de transmissão da CHESF. Este trabalho apresenta os resultados dos estudos e análises realizadas, ressaltando a influência do comportamento transitório de compensadores estáticos, os efeitos das sobrecorrentes transitórias no desempenho das proteções e as análises comparativas de alternativas como a utilização de um disjuntor com chaveamento controlado ou resistor de pré-inserção. DESCRIÇÃO DO SISTEMA ANALISADO A Área Norte do sistema de transmissão da CHESF supre cargas de quatro Estados da Região Nordeste do Brasil. A Figura (1) apresenta o sistema de transmissão em 230kV e as interligações com as áreas Leste e Oeste. As subestações de Fortaleza (FTZ) e Delmiro Gouveia (DMG) estão a cerca de 670km do centro de geração de Paulo Afonso. Dois autotransformadores de 600 MVA na subestação de FTZ interligam os sistemas de transmissão em 230kV e 500kV, vindo da subestação de Presidente Dutra da ELETRONORTE. Nas subestações de FTZ e Milagres (MLG) estão instalados compensadores estáticos (CE) do tipo reator controlado através de válvulas de tiristores (RCT) com bancos de capacitores fixos, num arranjo de 12 pulsos, cujos nominais são 140/+200Mvar 230kV e 70/ +100Mvar 230kV, respectivamente. Os equipamentos de média tensão (26kV ou 12,3kV) são conectados à barra de 230kV através de um banco de transformadores abaixadores monofásicos de três enrolamentos, que divide cada CE em duas seções (4),(5). O estudo realizado consiste na energização de um autotransformador de 600 MVA pela barra de 230kV da subestação de FTZ, com o outro autotransformador desenergizado. Nestas condições a potência de curtocircuito trifásica na barra de 230kV desta subestação é de apenas 1200 MVA, o que já é um indicativo do elevado grau de severidade da manobra. As simulações de transitórios eletromagnéticos foram realizadas utilizando o ATP, com representação detalhada do sistema de transmissão, incluindo os transformadores 230/69kV 100 MVA das diversas subestações da área Norte. Nas simulações os CE foram representados através de um modelo simplificado que considera em detalhes todos os componentes de potência, sem representar o sistema de controle, e através de um modelo detalhado que além de considerar em detalhes todos os componentes de potência também utiliza a TACS para representar o sistema de controle e os sistemas de sincronização e geração de pulsos de disparo das válvulas de tiristores (4),(5). O autotransformador manobrado é constituído de um banco com três unidades monofásicas de três enrolamentos, com potência nominal de 200 MVA cada. Os enrolamentos dos lados de 500kV e 230kV são conectados em estrela aterrada e o enrolamento de 13,8kV é conectado em delta fechado. 3.0 SIMULAÇÕES E ANÁLISE DOS RESULTADOS 3.1. Influência do modelo dos compensadores estáticos Nas simulações realizadas o ponto de operação inicial dos CE FTZ e MLG corresponde, aproximadamente, a uma injeção de potência reativa nula na barra de 230kV das respectivas subestações. Com o modelo simplificado dos CE, não são representados os reguladores de tensão. Todos os componentes de potência são representados em detalhes, com exceção dos reatores controlados que são representados por um reator equivalente linear, ajustado para reproduzir o ponto de operação inicial obtido do fluxo de carga. Portanto, com este modelo simplificado não se representa nas simulações a resposta dos CE pela ação do regulador de tensão. Figura 1 Diagrama unifilar simplificado do sistema de transmissão em 230kV da área Norte. Com o modelo completo dos CE, e estando esses equipamentos operando no modo automático, durante a manobra os reguladores de tensão respondem ao

3 - 3 - afundamento momentâneo dos valores eficazes das tensões, aumentando o ângulo de disparo das válvulas de tiristores para reduzir as correntes nos reatores controlados (RCT), levando os CE para operação na faixa capacitiva, visando restabelecer as tensões do sistema. A Figura 2 mostra os sinais de entrada (ENTPI) e saída (SAIPI) do regulador PI do CE FTZ, mostrando que este CE atinge o limite capacitivo durante a manobra Figura 2 Resposta do regulador PI do CE FTZ no modo automático. O efeito deste comportamento dos CE no modo automático, é uma elevação significativa das correntes nos bancos de capacitores e no enrolamento em delta do transformador abaixador do CE Este efeito não é verificado nas simulações com o modelo simplificado. De um modo geral os resultados das simulações mostram sobretensões transitórias de valor moderado mas com forma de onda bastante distorcida, com elevado conteúdo de terceiro e quinto harmônicos. Foram observadas sobrecorrentes elevadas e com baixo amortecimento, não apenas no autotransformador manobrado mas também no neutro dos transformadores de 230/69kV 100 MVA das subestações de FTZ e DMG, no enrolamento ligado em delta do transformador abaixador e nos bancos de capacitores das seções delta e estrela do CE A tabela 1 apresenta um resumo dos resultados das simulações, incluindo os valores máximos e o valor rms verdadeiro das grandezas, 1,0s após a manobra, em pu do valor nominal. Tabela 1 Resumo dos resultados com os modelos completo e simplificado. Corrente BC CE Corrente no delta TR CE neutro 04T1 fase ATR. neutro ATR. Tensão 230kV SAIPI ENTPI t[s] 1.2 Modelo simplificado Modelo completo Máximo rms Máximo rms 1,39 0,94 1,87 1,17 0,57 0,44 1,68 1,28 1,19 0,57 1,19 0,73 1,74 0,55 1,75 0,59 1,45 0,48 1,46 0,53 1,12 1,00 1,20 1,08 A Figura 3 apresenta as formas de onda das correntes no banco de capacitores da seção delta do CE FTZ, obtidas com os dois modelos. [pu] t[s] 1.2 c:modelo simplificado c:modelo completo [pu] t[s] Figura 3 Sobrecorrente transitória no banco de capacitores da seção delta do CE A representação detalhada dos CE, com o efeito da resposta do regulador, é importante nos estudos de fenômenos de longa duração como a energização de um transformador de grande porte, principalmente quando se analisa os efeitos das manobras sobre grandezas do próprio compensador. Os parâmetros do regulador, como ganhos e constantes de tempo, também têm influência significativa no fenômeno. A Figura 4 mostra a influência do ganho proporcional (Kp) do regulador PI sobre os valores máximos das correntes de fase no banco de capacitores da seção delta e na corrente do enrolamento em delta do transformador abaixador do CE Quanto mais elevado o ganho proporcional do regulador PI, mais rápida a resposta do CE. Para valores de ganho acima de 0,40V/V, as sobrecorrentes transitórias e, por conseqüência, as solicitações impostas aos equipamentos e os riscos de desligamentos indesejados serão menores, devido à rápida compensação dos afundamentos de tensão. Observa-se que para pequenos valores de ganhos as sobrecorrentes transitórias também são menores devido ao retardo na resposta dos reguladores de tensão dos CE. Portanto, existem valores de ganho que maximizam os efeitos indesejáveis da manobra.

4 - 4 - Corrente máxima (%) Figura 4 Influência do ganho proporcional do regulador PI do CE 3.2. Influência do modo de operação dos CE Tendo em vista as sobrecorrentes transitórias elevadas e de baixo amortecimento observadas nas simulações, com os CE operando no modo automático, assim como a pouca influência do ponto de operação inicial, foram analisadas alternativas como a energização do autotransformador com os CE desenergizados ou operando no modo manual com ângulo de disparo fixo no reator controlado (RCT). Com os CE desenergizados são obtidos os maiores afundamentos no valor eficaz das tensões na barra de 230kV da SE FTZ, atingindo 8,4% em 1,0s, com maior conteúdo de terceiro harmônico, bem como maiores sobrecorrentes de neutro nos transformadores 230/69kV 100 MVA das subestações de FTZ e DMG. A Tabela 2 apresenta um resumo dos resultados das simulações, incluindo os valores máximos e rms verdadeiro, 1,0s após a manobra, em pu do valor nominal. A Figura 5 apresenta as formas de onda das correntes no enrolamento em delta do transformador abaixador do CE FTZ, com os CE operando nos modos automático e manual. Tabela 2 Resumo dos resultados com os CE desenergizados e no modo manual. Corrente BC CE Corrente no delta do TR CE neutro 04T1 fase ATR. neutro ATR. Tensão 230kV Delta BC 80 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Ganho proporcional PI (V/V) Sem CE Manual Máximo rms Máximo rms - - 1,77 1, ,67 0,40 1,18 0,76 1,20 0,60 1,58 0,51 1,76 0,48 1,25 0,48 1,47 0,44 1,09 0,97 1,10 1,00 Com a operação no modo manual, com ângulo de disparo fixo e sem a resposta do regulador, as sobrecorrentes transitórias e, por conseqüência, os riscos de desligamento de equipamentos são reduzidos. Entretanto, aumentam os afundamentos do valor eficaz das tensões quando comparado à operação no modo automático. Por outro lado, com os CE desenergizados ocorre um aumento dos afundamentos de tensão, das distorções harmônicas das tensões e das sobrecorrentes de neutro dos transformadores abaixadores das subestações de FTZ e DMG. [pu] Automático Manual t[s] 1.2 Figura 5 Sobrecorrente transitória no enrolamento em delta do transformador do CE 3.3. Análise comparativa de alternativas Com o objetivo de analisar o desempenho de alternativas para redução das sobrecorrentes transitórias associadas às manobras do autotransformador, foram realizadas simulações com os CE operando no modo automático, utilizando disjuntor com chaveamento controlado ou resistor de pré-inserção. A Tabela 3 apresenta um resumo dos resultados obtidos nas simulações em termos de valores máximos e rms verdadeiro, 1,0s após a manobra, em pu do valor nominal. Tabela 3 Resumo dos resultados com chaveamento controlado e resistor de pré-inserção. Corrente BC CE Corrente no delta do TR CE neutro 04T1 fase ATR. neutro ATR. Tensão 230kV Chaveamento Resistor de pré-inserção controlado Máximo rms Máximo rms 1,45 0,99 1,09 0,90 0,92 0,48 0,12 0,05 0,65 0,30 0,08 0,01 0,95 0,24 0,18 0,01 0,82 0,22 0,09 0,01 1,18 1,03 1,08 1,06 A Figura 6 apresenta as formas de onda das correntes no banco de capacitores do CE FTZ para as alternativas com chaveamento controlado e disjuntor com resistor de pré-inserção, para simulações com o modelo completo e com os CE operando no modo automático.

5 - 5 - [pu ] Chaveamento controlado Resistor de pré-inserção t[s] 1.2 Figura 6 Sobrecorrente no banco de capacitores do CE FTZ para as alternativas de disjuntores Chaveamento controlado Nas simulações estatísticas foi considerado um disjuntor com chaveamento controlado e uma tolerância de ±1,5ms em relação ao instante ideal de fechamento dos pólos. A simulação determinística corresponde ao pior caso de sobrecorrente transitória obtido nas simulações estatísticas. Para o tipo de ligação dos enrolamentos do autotransformador manobrado, o instante ideal de fechamento de cada pólo do disjuntor corresponde ao fechamento do primeiro pólo no instante de máximo da tensão fase-terra, da fase correspondente, e os outros dois pólos 90 o elétricos depois, que corresponde ao instante de tensão máxima entre essas duas fases (6). Comparando os resultados apresentados na Tabela 3 para o chaveamento controlado com os resultados apresentados na Tabela 1 para o disjuntor convencional, é possível observar uma redução média da ordem de 50% nas sobrecorrentes transitórias. A alternativa com chaveamento controlado reduz significativamente os riscos associados à manobra. Neste caso o carregamento máximo do CE FTZ durante a manobra é apenas 24% do limite capacitivo Resistor de pré-inserção Nas simulações foi considerado um resistor de préinserção de 400Ω por pólo, com tempo de inserção de 10 ± 2,5ms, e dispersão entre pólos máxima de 5,0ms. As maiores sobrecorrentes ocorrem com o resistor inserido, ou seja, através da câmara auxiliar fechada, com a câmara principal ainda aberta. Comparando os resultados apresentados nas Tabelas 1 e 3, observa-se que a alternativa com resistor de préinserção elimina totalmente os riscos associados à manobra. Praticamente não ocorre variação da potência reativa do CE FTZ durante a manobra ANÁLISE DE PROTEÇÕES Para complementar a análise dos resultados das simulações sob o aspecto de suportabilidade dos equipamentos e efeitos de medidas mitigadoras para redução das sobrecorrentes transitórias, faz-se necessário uma análise complementar com o objetivo de verificar o possível desempenho das proteções diante das sobrecorrentes transitórias, no sentido de procurar evitar atuações indesejadas que teriam como conseqüência o desligamento não programado de equipamentos. Os efeitos das sobrecorrentes no desempenho das proteções e as medidas mitigadoras dependem da tecnologia e do tipo de relé utilizado. As proteções digitais oferecem maior flexibilidade quando comparadas às convencionais, pois podem ser parametrizadas com sensibilidade apenas para a componente fundamental das grandezas ou uma composição da componente fundamental mais algumas harmônicas. Nos casos em que são identificados riscos de atuações indesejadas de proteções, faz-se uma análise para verificar se é possível adequar ajustes de pick-up ou temporizações para evitar desligamentos indesejados de equipamentos, procurando-se sempre manter a sensibilidade e a coordenação com outras proteções, sem impor solicitações excessivas aos equipamentos. Em casos extremos essas medidas podem ser inviáveis, recomendando-se uma análise de outras alternativas. Com base na análise dos resultados apresentados no item 3.0, foram identificados os seguintes riscos :! Atuação da proteção digital de sobrecorrente de fase e neutro do enrolamento de 230kV e do enrolamento em delta do autotransformador manobrado, para a manobra com os CE operando no modo automático ou manual ou com os CE desenergizados. Para evitar a sua atuação em qualquer dos casos é possível efetuar ajustes no relé de forma a evitar desligamentos indesejados.! Atuação de proteções de sobrecorrente de neutro dos transformadores de 230/69kV da subestação de FTZ, para a manobra com os CE operando no modo automático ou manual ou com os CE desenergizados. Neste caso é possível alterar ajustes de pick-up e temporização, evitando desligamentos indesejados de transformadores.! Atuação da proteção de sobrecorrente do enrolamento em delta do transformador abaixador do CE FTZ, com desligamento deste CE, para a manobra com os CE operando no modo automático. É possível alterar o ajuste de temporização desta proteção evitando o desligamento total do CE durante a manobra.! Atuação da proteção de sobrecorrente dos bancos de capacitores do CE FTZ, com desligamento de uma ou das duas seções do CE, para a manobra com o CE operando no modo automático. É possível alterar o ajuste de temporização desta proteção evitando o desligamento total ou parcial do CE durante a manobra. Com a adequação de ajustes das proteções relacionadas acima, os riscos de desligamentos

6 - 6 - indesejados de equipamentos durante a manobra podem ser significativamente reduzidos. Para eliminar os riscos seria necessário utilizar um disjuntor com chaveamento controlado ou resistor de pré-inserção. 5.0 CONCLUSÃO! Os resultados dos estudos realizados mostram a severidade da manobra de energização de um autotransformador de 600 MVA pelo sistema de transmissão em 230kV, que apresenta uma baixa potência de curto-circuito quando comparada à potência nominal do equipamento manobrado.! A manobra é capaz de levar dois compensadores estáticos a operar momentâneamente no limite capacitivo e os riscos associados à manobra incluem desde o desligamento do autotransformador manobrado até o desligamento de compensadores estáticos e transformadores de 230/69kV 100 MVA, pela atuação indesejada de proteções associadas à esses equipamentos.! É importante representar adequadamente os compensadores estáticos, incluindo o sistema de controle, para reproduzir os efeitos da ação do regulador nas sobrecorrentes e demais grandezas internas dos compensadores.! É importante analisar o desempenho das proteções para este tipo de manobra, tendo em vista os valores elevados das sobrecorrentes transitórias e a longa duração das mesmas, com o objetivo de evitar desligamentos indesejados.! Considerando a manobra com um disjuntor convencional, os riscos podem ser bastante reduzidos através da adequação de ajustes de proteções de equipamentos e da adoção de medidas operativas pré-manobra tais como uma tensão limitada a 230kV na subestação de FTZ, com os compensadores estáticos operando no modo automático e próximos do limite indutivo.! A solução definitiva para viabilizar a manobra, sem riscos de desligamentos indesejados, consiste na utilização de um disjuntor com chaveamento controlado e implantação de algumas adequações de ajustes de proteções, ou um disjuntor com resistor de pré-inserção sem necessidade de adequação de ajustes. 6.0 BIBLIOGRAFIA (1) CISNEIROS, S.J.N. Challenges of the brazilian system operation in search of efficiency. CIGRE 2000 SESSION, paper (2) BRONZEADO, H.S., et ali. Harmonic analysis of transient currents during sympathetic interaction. IEEE Trans. on P.S., Vol. 11, November (3) KOPEJTKOVA, D., et ali. Controlled switching of unloaded transformers Application with 245/15/15kV step-up transformer. CIGRE 1998 SESSION, paper (4) VASCONCELOS, A.N., et ali. Detailed modeling of an actual static var compensator for eletromagnetic transient studies. IEEE Trans. on P.S., Vol. 7, February (5) RAMOS, A.J.P., et ali. Modelagem detalhada de compensadores estáticos para estudos de transitórios eletromagnéticos. VIII SNPTEE, maio de (6) CIGRE WG Controlled switching of HVAC circuit-breakers. Guide for application lines, reactors, capacitors, transformers. ELECTRA No. 183 and 185, April / August DADOS BIOGRÁFICOS DOS AUTORES Antonio Roseval F. Freire, Formado em Engenharia Elétrica pela UFPE em 1985, obteve o grau de Msc pela COPPE/UFRJ em 1991 e foi pós-graduado em Engenharia da Qualidade pela UFPE em Trabalha na CHESF desde 1986, com experiências nas áreas de especificação, ensaios e análise de desempenho de equipamentos de subestações e compensadores estáticos e nas áreas de planejamento e estudos elétricos de sistemas de potência. É membro individual do CIGRÉ e do IEEE/PES. Sylvia de Almeida Barros, Formada em Engenharia Elétrica pela UFPE em 1980, foi pós-graduada em Sistemas de Potência na área de Processamento de Energia pela UFPB, em Trabalha na CHESF desde 1981, com experiência na área de planejamento, análise e estudos elétricos de sistemas de potência. Sérvulo de Oliveira Pinto, Formado em Engenharia Elétrica pela UFPE em 1977, foi pós-graduado em Sistemas de Potência pela EFEI em Trabalha na CHESF desde 1977, com experiência nas áreas de estudos e adequações de proteções, análise e cálculo de curto-circuitos e análise de desempenho de sistemas de proteção. Atualmente é professor substituto do Departamento de Engenharia Elétrica da UFPE e está desenvolvendo sua tese de mestrado junto à esta universidade. Lourival Barbosa Filho, Formado em Engenharia Elétrica pela UFPB em 1975, foi pós-graduado em Sistemas de Potência pela EFEI em Trabalhou na SAELPA até 1978, na área de projetos de Redes de Distribuição. Trabalha na CHESF desde 1979, com experiências nas áreas de montagem e comissionamento de subestações e linhas de transmissão, estudos e adequações de proteções, análise e cálculo de curto-circuitos e análise de desempenho de sistemas de proteção.