Estudo de Transitórios de Chaveamento e seu Impacto no Dimensionamento dos Disjuntores de 230 KV da SE TERMOAÇU.

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1 1 Estudo de Transitórios de Chaveamento e seu Impacto no Dimensionamento dos Disjuntores de 23 KV da SE TERMOAÇU. São Paulo, 22 de janeiro de 26.

2 2 1 Introdução. O presente relatório tem por objetivo efetuar a análise do impacto dos transitórios de chaveamento no dimensionamento dos Disjuntores de 23 KV da SE TERMOAÇU. Dentre os principais fenômenos a serem estudados se destacam : A necessidade da utilização de resistores de Pré-Inserção nos Disjuntores. 1.2 A TRV de acôrdo com a NBR Para tal foram simulados no software ATP as seguintes condições operativas listadas abaixo : Item 1.1 : - Energização das Linhas de 23 KV em vazio com ou sem falta. - Abertura das Linhas de 23 KV em operação normal através de faltas Fase-Terra com posterior religamento automático tripolar dos disjuntores da SE Termoaçu. Nessas condições foram efetuados condições de religamento para faltas transitórias e permanentes. Foram usados aqui tempos típicos de atuação das proteções de aproximadamente 1 ms e 5ms de tempo morto para o religamento automático.

3 3 - Energização dos Transformadores da SE TERMOAÇU com e sem falta. - Abertura do Transformador da SE TERMOAÇU para uma falta interna Fase-Terra com tempo de atuação típico de 1 ms para a abertura dos respectivos disjuntores. Através das simulações acima objetivou-se analisar o perfil das sobretensões oriundas dessas manobras e o consumo de energia dos Para-Raios da instalação como parâmetros principais para a conclusão do estudo em pauta. Item 1. 2 : - Para esse item simulou-se a condição de curto terminal trifásico na linha que ser considerado como determinante para o estudo. Portanto o estudo está dividido nas seguintes partes descritas a seguir : 1- Introdução. 2- Descrição do estudo e detalhamento no ATP. 3- Estudo dos Resistores de Pré-Inserção. 3.1 Energização das Linhas de 23 KV em Vazio Sem Falta Com Falta Abertura das Linhas de 23 KV em Operação Religamento Tripolar com Sucesso.(Falta Transitória).

4 Religamento Tripolar sem Sucesso.(Falta Permanente). 3.3 Transformadores Energização do Transformador sem Falta Energização do Transformador com Falta Abertura dos Disjuntores do Transformador em Falta. 4 Estudo da TRV. 4.1 Definição do circuito,metodologia e aspectos de simulação. 4.2 Resultados obtidos para Disjuntores classe 245 KV. 4.3 Resultados obtidos para Disjuntores classe 3 KV. 4.4 Resultados obtidos para Disjuntores classe 362 KV. 5 Conclusões.

5 5 2 - Descrição do estudo e detalhamento no ATP. Para a montagem do circuito no ATP modelaram-se os seguintes equipamentos : Linhas de Transmissão. A linha de transmissão simulada no EMTP/ATP pela rotina LINE CONSTANTS está apresentada na figura abaixo: Figura Geometria da torre de transmissão O arquivo de entrada de dados para a rotina LINE CONSTANTS está apresentado a seguir:

6 6 BEGIN NEW DATA CASE LINE CONSTANTS $ERASE $UNITS, 6., 6. BRANCH IN AOUT AIN BOUT BIN COUT CIN DOUT DIN EOUT EIN FOUT F METRIC BLANK CARD ENDING CONDUCTOR CARDS $PUNCH BLANK CARD ENDING FREQUENCY CARDS BLANK CARD ENDING LINE CONSTANT BEGIN NEW DATA CASE BLANK CARD Os cabos utilizados são do tipo GROSBEAK em bundle de dois condutores separados por uma distância de 4cm com flechas de 6.5m. Os cabos-guarda são de aço galvanizado a 7 fios tipo HS de diâmetro nominal de.5 polegada com flechas de 6.m. Foi admitida a resistividade média de 4 Ohms/m Transformadores : Foram modelados trifásicamente com sua respectivas curvas de excitação para se obter uma melhor resposta transitória principalmente devido as operações de fechamento para um provável dimensionamento do resistor de pré-inserção. Cabe ressaltar aqui que os dados da curva foram obtidos junto ao fabricante ABB para um transformador similar e os demais dados foram obtidos do relatório 6/GPI/21.

7 7 2.3 Para-Raios : Tomados como referência um de classe ZnO e tensão 245 KV de coluna única usados em outros estudos similares pelo grupo. 2.4 Equivalentes e Geradores : Para os equivalentes do lado CHESF foram usados os parâmetros de seqüência positiva e zero sempre se considerando o pior caso, ou seja as potencias de curto circuito do ano 28. Para os geradores da Termoaçu usou-se os dados obtidos do relatório 6/GPI/21 para se calcular suas resistências e indutâncias sempre se baseando na componente subtransitória da máquina que é o pior caso para as simulações em pauta. A seguir na figura 1 é apresentada uma configuração típica para o circuito gerada no software ATPDRAW.

8 8 TR-121 BK-524 G1 U BK-526 BK-525 BK-524 VBAR CS-5216 LACU1 TACU1 TACU2 CS-528 BACU LACU2 G3CH G1 U BK-526 BK-525 BK-524 TR2AT TR-121 BK-524 G3T G2 U G3 Figura 1 Circuito típico no ATPDRAW. 3 - Estudo dos Resistores de Pré-Inserção. 3.1 Introdução. Para efeito de análise do comportamento dos pára-raios face o instante de abertura e fechamento dos disjuntores, optou-se por variar o instante de chaveamento de 1 em 1 graus numa excursão de a 18 graus. Com isso, espera-se encontrar a maior variação de tensão (e portanto, a maior variação de energia nos pára-raios) dada a natureza indutiva do circuito. Portanto as simulações abaixo têm por objetivos principais os seguintes pontos :

9 9 Medir o perfil das Sobretensões no Sistema. Medir o consumo de energia nos Para-Raios do Sistema. A análise desses dois items são determinantes para a definição da necessidade ou não dos resistores de Pré Inserção nos disjuntores da SE TERMOAÇU. Nota : Com o objetivo de se simular as piores condições operativas optou-se para essa condição modelar-se a circuito em condições de carga leve, ou seja somente com linha em operação e uma máquina em operação em TERMOAÇU para configurar um sistema radial com abertura e religamento tripolar que é a condição mais critica. Em seguida, são apresentados a partir dessa consideração operativa as condições simuladas Descrição dos casos simulados Várias configurações da rede foram adotadas para análise em questão. Durante a montagem dos casos no EMTP/ATP, foram escolhidos os seguintes cenários: Cenário 1 - Energização da linha em vazio através do disjuntor em TERMOAÇU. Para este cenário foram simuladas 18 situações de fechamento de chave.

10 1 Cenário 2 Ocorrência de uma falta fase-terra com a linha operando em vazio energizada pelo Terminal Termoaçu. Em seguida após a atuação da proteção em 1 ms ocorre o Religamento tripolar da linha com o tempo morto de religamento de 1 ms que é considerado pequeno para esse nível de tensão. O objetivo aqui é mais uma vez simular a pior condição para o circuito. A medida que esse tempo morto de religamento aumenta diminuem-se consideravelmente o consumo de energia dos para-raios em AÇU. Para esse cenário foram simuladas 27 situações de abertura e religamento da chave para uma falta ocorrendo em quatro locais distintos da linha (, 25, 5 e 75% do ponto de vista da Termo-Açu), resultando em um total de 18 casos de simulação. Convém ressaltar que o religamento sempre se dará no sentido TERMOAÇU para AÇU medindo-se a energia dos para-raios em AÇU. Cenário 3 Idem ao cenário 2 com a linha em operação normal. Para este cenário foram simuladas 36 situações de religamento após a extinção de uma falta fase- terra ocorrendo em quatro locais distintos da linha (, 25, 5 e 75% do ponto de vista da TermoAçu), resultando em um total de 144 casos de simulação. Cenário 4 - Religamento trifásico sob uma falta monofásica, ou seja, consideramse as mesmas condições operativas do cenário 3 somente com a condição de que a falta não foi extinta. Para este cenário foram simuladas 27 situações de religamento sob uma falta ocorrendo em quatro locais distintos da linha (, 25, 5 e 75% do ponto de vista da TermoAçu), resultando em um total de 18 casos de simulação.

11 11 Cenário 5 - Energização dos transformadores em vazio de TermoAçu pelo disjuntor do lado de alta tensão. Para este cenário foram simuladas 18 situações de fechamento de chave. Cenário 6 Abertura do Transformador em regime sem carga. Para este cenário foram simuladas 18 situações de abertura de chave. Cenário 7 Operação do Transformador em vazio e a ocorrência de uma falta monofásica no lado de Alta Tensão. Para este cenário foram simuladas 18 situações de abertura de chave sob falta monofásica. Cenário 8 Idem ao cenário 8 para uma falta trifásica. Para este cenário foram simuladas 18 situações de abertura de chave sob falta trifásica. A fim de descrever cada um destes cenários, foram desenvolvidos três arquivos-base no EMTP/ATP. O Cenário 1 pode ser visualizado pela Figura 2. Os Cenários 2 a 5 baseiam-se no circuito da Figura 3, enquanto os Cenários 6 a 8 estão representados pela Figura 4.

12 12 CS-5216 BK-525 TR-111 BK-524 CS-528 G1 U U Figura 2 CS-52 LACU1 16 BK-525 CS-528 BK-524 U G1 U Figura 3

13 13 CS-52 LACU1 16 BK-525 CS-528 BK-524 U G1 U Figura Energização das Linhas de 23 KV em Vazio Sem Falta. Cenário 1: O pior caso para o Cenário 1 ocorreu para o ângulo de energização de 8 graus do disjuntor BK-525. Nas figuras a seguir são apresentadas as tensões, correntes, potências e energias pertinentes ao caso.

14 [kv] [s].2 (file CASO1_8_GRAUS.pl4; x-var t) v:lacu1a v:lacu1b v:lacu1c Gráfico Tensões sobre os Pára-raios em AÇU. 2 [A] [s].2 (file CASO1_8_GRAUS.pl4; x-v ar c: t) -X51A c: -X51B c: -X51C Gráfico Correntes sobre o pára-raio em AÇU.

15 [MW] [s].2 (file CASO1_8_GRAUS.pl4; x-var t) p: -LACU1C p: -LACU1B p: -LACU1A Gráfico Potências no pára-raio em AÇU. 12 [kj] [s].2 (file CASO1_8_GRAUS.pl4; x-var t) e: -LACU1C e: -LACU1B e: -LACU1A Gráfico Energias armazenadas nos Pára-Raios em AÇU.

16 Energização com Falta. Cenário 2: O pior caso para o Cenário 2 ocorreu para o religamento após 1ms da extinção do defeito, com ângulo de 14 graus com a falta ocorrendo a uma distância de % da linha. Nas figuras a seguir são apresentadas as tensões, correntes, potências e energias pertinentes ao caso. 3 [kv] [s] 1. (file CNEC_TIPO212_PC_14GRAUS_NOVO.pl4; x-var t) v:lacu1a v:lacu1b v:lacu1c Gráfico Tensões sobre o pára-raio em AÇU.

17 17 16 [kj] [s] 1. (file CNEC_TIPO212_PC_14GRAUS_NOVO.pl4; x-var t) e: -LACU1A e: -LACU1B e: -LACU1C Gráfico Energias armazenadas no pára-raio do Terminal AÇU Abertura das Linhas de 23 KV em Operação Religamento Tripolar com Sucesso.(Falta Transitória). Cenário 3: O pior caso para o Cenário 3 ocorreu para o ângulo de religamento de 15 graus com a falta ocorrendo a % da linha. Nas figuras a seguir são apresentados os gráficos de potências e energias pertinentes ao caso.conforme ilustrado abaixo, pode-se notar que a energia armazenada no pára-raio pode atingir em aproximadamente 3 ciclos (após o religamento) o limite permitido (7kJ). Entretanto, essa situação não deve ocorrer, pois as proteções atuarão em muito menos tempo.

18 18 4. [MW] [s].5 (file CNEC_TIPO221_PC_15GRAUS.pl4; x-var t) p: -LACU1A p: -LACU1B p: -LACU1C Gráfico Potências no pára-raio do Terminal AÇU. 6 [kj] [s].5 (file CNEC_TIPO221_PC_15GRAUS.pl4; x-var t) e: -LACU1A e: -LACU1B e: -LACU1C Gráfico Energias armazenadas no Pára-raio do Terminal AÇU.

19 Religamento Tripolar sem Sucesso.(Falta Permanente). Cenário 4: O pior caso para o Cenário 4 ocorreu para o ângulo de religamento de 15 graus com a falta ocorrendo a 25% da linha. Nas figuras a seguir são apresentados os gráficos de potências e energias pertinentes ao caso.conforme ilustrado abaixo, pode-se notar que a energia armazenada no pára-raio pode atingir o limite permitido (7kJ) em pouco mais de 2 ciclos após o religamento. Entretanto, essa situação não deve ocorrer, pois os dispositivos de proteção deverão atuar em um tempo menor. 7 [MW] [s].6 (file CNEC_TIPO222_25PC_15GRAUS.pl4; x-var t) p: -LACU1A p: -LACU1B p: -LACU1C Gráfico Potências no pára-raio do Terminal AÇU.

20 2 3 [kj] [s].6 (file CNEC_TIPO222_25PC_15GRAUS.pl4; x-var t) e: -LACU1A e: -LACU1B e: -LACU1C Gráfico Energias armazenadas no pára-raio do Terminal AÇU. 3.5 Transformadores Energização do Transformador sem Falta. Cenário 5: O pior caso para o Cenário 5 ocorreu para o ângulo de energização de graus. Nas figuras a seguir são apresentadas as potências e energias pertinentes ao caso. Note que o pior valor de energia armazenado é muito baixo, sendo que uma análise mais profunda para este tipo de caso é desnecessária.

21 21 7 [kw] [s] 1.5 (file CNEC_TIPO3_GRAUS.pl4; x-var t) p: -TACU1A p: -TACU1B p: -TACU1C 35 [J] 3 Gráfico Potências no pára-raio da linha do lado Termo Açu [s] 1.5 (file CNEC_TIPO3_GRAUS.pl4; x-var t) e: -TACU1A e: -TACU1B e: -TACU1C Gráfico Energias armazenadas no Pára-raio da linha do lado TermoAçu.

22 Abertura do Transformador em Regime. Cenário 6: Os casos do Cenário 6 apresentaram valores muito próximos em todas as suas variações, alcançando menos de 1.7kJ de energia armazenada após 1.5s de simulação. Sendo o pior valor de energia armazenado muito baixo, uma análise mais profunda para este tipo de caso é desnecessária Defeito Monofásico no Transformador Operando em Vazio. Cenário 7: O pior caso para o Cenário 8 ocorreu para o ângulo de abertura de 2 graus. Nas figuras a seguir são apresentadas as tensões, potências e energias pertinentes ao caso. 3 [kv] [s].35 (file CNEC_TIPO312_1F_2GRAUS.pl4; x-var t) v:lacu1a v:lacu1b v:lacu1c Gráfico Tensões na Barra de TERMOAÇU.

23 23 1 [kj] [s].35 (file CNEC_TIPO312_1F_2GRAUS.pl4; x-var t) e: -LACU1A e: -LACU1B e: -LACU1C Gráfico 6.2 Energia nos Para-raios de Termoaçu Defeito Trifásico no Transformador Operando em Vazio. Cenário 8: O pior caso para o Cenário 8 ocorreu para o ângulo de abertura de 8 graus. Nas figuras a seguir são apresentadas as potências e energias pertinentes ao caso.

24 24 5 [MW] [s].35 (file CNEC_TIPO312_3F_8GRAUS.pl4; x-var t) p: -TACU1A p: -TACU1B p: -TACU1C 6 [kj] 5 Gráfico Potências no Pára-raio da linha do lado TermoAçu [s].35 (file CNEC_TIPO312_3F_8GRAUS.pl4; x-var t) e: -TACU1A e: -TACU1B e: -TACU1C Gráfico Energias armazenadas no Pára-raio do lado TermoAçu.

25 25 4 Estudo da TRV. 4.1 Definição do circuito,metodologia e aspectos de simulação. Para esses testes objetivou-se capturar as piores condições operativas possíveis disponíveis para forçar a situação mais critica para os disjuntores. Essas condições foram : - Potência de Curto Circuito da CHESF(Terminal AÇU) para o ano de Utilização da impedância subtransitória para os geradores de TERMOAÇU forçando a maior contribuição possível de corrente de curto circuito. - Valores de Capacitâncias Parasitas dos equipamentos. Adotou-se também como parâmetro decisório o curto terminal trifásico logo na saída da linha. O modelo utilizado como referência foram obtidos da norma NBR 7118 a quatro parâmetros indicados para disjuntores acima de 1 KV. Outra condição operativa importante adotada como padrão para o defeito citado acima é a condição de abertura do primeiro disjuntor do barramento disjuntor e ½ de Termoaçu e logo em seguida a abertura do terminal remoto de AÇU pelas suas respectivas proteções.

26 26 Dessa forma força-se que toda a contribuição para o defeito tanto de AÇU como das máquinas de TERMOAÇU circulem pelo disjuntor em análise. Na figura 5 é apresentado um circuito típico usado nas simulações para a obtenção do TRT. CC FL1AFL2A FL1BFL2B FL1CFL2C FL1 FL2 DISJ TR-121 G1 U G3 TR-121 G2 U G1 U Figura 5 Circuito Padrão para a obtenção da TRT. A seguir na tabela 1 abaixo são apresentadas as capacitâncias parasitas utilizadas no modelamento. Convém ressaltar que devido a amplitude das faixas possíveis admissíveis para essas capacitâncias foram adotados valores médios para as mesmas.

27 27 Tabela 1 - Valores das Capacitâncias Parasitas no Circuito. Equipamento Quantidade Valor Médio (pf) Chaves Disjuntores 6 9 Transformadores Barras 2 6 D. Capacitivo de Potencial 4 38 Transformadores de Corrente 6 18 Em seguida no gráfico abaixo são apresentados curvas típicas obtidas das tensões e correntes obtidas nos disjuntores onde pode-se observar que as correntes são sempre eliminadas quando de sua passagem pelo ponto zero. 5 [kv] [ms] 15 (f ile trv _2451rssc28.pl4; x-v ar t) v :FL1A -FL2A v :FL1B -FL2B v :FL1C -FL2C Gráfico 4.1 Curvas Típicas de Tensões de Abertura no Disjuntor.

28 28 15 [ka] [ms] 15 (f ile trv _2451rssc28.pl4; x-v ar t) c:fl1a -FL2A c:fl1b -FL2B c:fl1c -FL2C Gráfico 4.2 Curvas Típicas das Correntes no Disjuntor. Nos próximos itens serão apresentados os gráficos obtidos para as classes de disjuntores de 245, 3 e 362 KV. Foram utilizadas a subrotina MODELS do ATP para se comparar as curvas padrões de norma com as obtidas do circuito através das simulações efetuadas.

29 Resultados obtidos para Disjuntores classe 245 KV. A seguir na tabela 2 são apresentados os valores de norma usados para essa classe de disjuntor onde : E1 Primeiro Pico da TRT. T1 Tempo da Ocorrência de E1. E2 Pico Máximo da TRT. T2 Tempo da Ocorrência de E2. RRVV Taxa de Crescimento da TRT. Para esse e para todos os demais casos vamos adotar sempre a corrente de curto máxima na barra de TERMOAÇU de 5,4 KA conforme estudo 6/GPI/21 e as correntes com 1, 6, 3 e 1 % desse valor para análise.

30 3 Tabela 2 Valores da Norma NBR 7118 Classe 245 KV Tensão % de Icc E1(KV) T1(µs) E2(KV) T2(µs) RRVV(KV/ µs) 245 KV T T T T Nos gráficos a seguir são apresentados os resultados obtidos para os valores acima onde a linha em azul indica a norma NBR 7118, onde o pior casos será sempre o primeiro pólo abrir que será sempre a fase-c nas simulações. 5 * [ms ] 6. (f ile trv _2451rssc28.pl4; x-v ar t) m:e1c m:e2c m :IEC C Gráfico Curvas para 1 % de Icc Classe 245 KV.

31 31 5 * [ms] 6. (f ile trv _2456rssc28.pl4; x-v ar t) m:e1c m:e2c m:iecc Gráfico Curvas para 6 % de Icc Classe 245 KV. 5 * [ms] 6. (f ile trv _2453rssc28.pl4; x-v ar t) m:e1c m:e2c m :IECC Gráfico Curvas para 3 % de Icc Classe 245 KV.

32 32 5 * [ms] 6. (f ile trv _2451rssc28.pl4; x-v ar t) m:e1c m:e2c m:iecc Gráfico Curvas para 1 % de Icc Classe 245 KV. 1.5 * [ms ] 4. (f ile trv _31rssc28.pl4; x-v ar t) m:rrrvc Gráfico Curvas da RRVV para 1 % de Icc Classe 245 KV.

33 Resultados obtidos para Disjuntores classe 3 KV. Tabela 2 Valores da Norma NBR 7118 Classe 3 KV Tensão % de Icc E1(KV) T1(µs) E2(KV) T2(µs) RRVV(KV/ µs) 3 KV T T T T * [ms] 6.5 (f ile trv _31rssc28.pl4; x-v ar t) m:e1c m:e2c m:iecc Gráfico Curvas para 1 % de Icc Classe 3 KV.

34 34 5 * [ms] 6.5 (f ile trv _36rssc28.pl4; x-v ar t) m:e1c m:e2c m:iecc Gráfico Curvas para 6 % de Icc Classe 3 KV. 5 * [ms ] 6.5 (f ile trv _33rssc28.pl4; x-v ar t) m:e1c m:e2c m :IEC C Gráfico Curvas para 3 % de Icc Classe 3 KV.

35 35 6 * [ms] 6. (f ile trv _31rssc28.pl4; x-v ar t) m:e1c m:e2c m:iecc Gráfico Curvas para 1 % de Icc Classe 3 KV. 6 * [ms ] 4.8 (f ile trv _31rssc283m.pl4; x-v ar t) m:e1c m:e2c m :IEC C Gráfico Curvas para 1 % de Icc Classe 3 KV - 3 Máquinas.

36 Resultados obtidos para Disjuntores classe 362 KV. Para essa condição foram simuladas somente a condição para T1 com duas e três máquinas em TERMOAÇU. 6 * [ms ] 7.5 (file trv _3621rssc28.pl4; x-v ar t) m:e1c m:e2c m :IEC C Gráfico Curvas para 1 % de Icc Classe 362 KV. 6 * [m s ] 6.5 (file trv _3621rssc283m.pl4; x-v ar t) m : E 1 C m : E 2 C m :IE C C Gráfico Curvas para 1 % de Icc Classe 362 KV - 3 Máquinas.

37 Conclusões : Resistores de Pré Inserção : Pelos resultados obtidos não se julgam necessários a inclusão desses equipamentos pois os perfis de tensões em nenhum momento ultrapassaram a norma tendo chegado nos piores casos a até no máximo 2 %. Outro fator preponderante foi o consumo de energia nos para-raios em AÇU da CHESF devido a manobras de fechamento dos disjuntores em TERMOAÇU. Em nenhuma das simulações efetuadas obteve-se pelo menos valores próximos ao limite adotado como referência. Com relação a TRT fica claro que os disjuntores da classe 245 KV apresentam valores acima da norma sendo que o disjuntor classe T1 fica praticamente no limite. Entretanto esse critério ficaria comprometido com a entrada da terceira máquina em TERMOAÇU conforme apresentado na figura abaixo. 5 * [m s ] 4.8 (file trv _2451rssc28cap3m.pl4; x-v ar t) m :E 1 C m :E 2 C m:iecc Gráfico 5.1 Disjuntor classe 245 KV 1 % - 3 Máquinas + Capacitor.

38 38 Os disjuntores classe 3 KV começam a apresentar um desempenho aceitável diante da Norma a partir da classe 1 %(5 KA) mesmo com as três máquinas em operação, sendo portanto o mais recomendado pelo estudo. Por último os disjuntores classe 362 KV já apresentam um bom desempenho mesmo com as três máquinas já para valores de aproximadamente 1 KA.

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