II JORNADAS TÉCNICAS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE SISTEMAS DE TRANSMISIÓN

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1 II JORNADAS TÉCNICAS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE SISTEMAS DE TRANSMISIÓN UMA PROPOSTA DE MELHORIA DO SISTEMA DE MONITORAMENTO DO CIRCUITO DE CORRENTE CONTINUA DE SUBESTAÇÕES FRANCISCO JOSÉ BORGES DE MORAIS / NILTON CÉLIO MARCELLO Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista CTEEP OMC / OPO / PALAVRA-CHAVE: Monitoramento Corrente Contínua. Categoria: Proteção e Controle. DADOS DA EMPRESA Endereço: CTEEP - Cabreúva / Bom Jardim Código Postal: / Telefone: / Fax: / Resumo Este trabalho tem por objetivo apresentar a performance dos equipamentos de comando, controle e proteção de subestações em função do valor da tensão contínua de alimentação aplicada, analisar os impactos de uma performance inadequada com relação a filosofia de operação do sistema elétrico e apresentar uma proposta de melhoria do sistema de monitoramento desta tensão HISTÓRICO O sistema de corrente contínua necessário para o funcionamento dos equipamentos de comando, controle e proteção de subestações é constituído por conjuntos retificadores e bancos de baterias, tendo como objetivo a manutenção de um valor constante de tensão, mesmo em caso de ocorrência de blackouts. Não obstante a versatilidade apresentada pelo sistema, eventualmente este valor de tensão pode ser comprometido por defeitos elétricos ocorridos ao longo dos circuitos, tais como curto-circuitos, fugas elétricas devido falha de isolação ou quedas de tensão. Se, por um lado, os curto-circuitos francos apresentam intensidade de corrente suficiente para atuar os dispositivos de proteção instalados à montante, com conseqüente eliminação e sinalização do defeito, o mesmo não se pode afirmar para as chamadas fugas elétricas, cuja intensidade de corrente é, muitas vezes, insuficiente para atuar os dispositivos de proteção convencionais. Quedas de tensão, por sua vez, somente serão detectadas por equipamentos de proteção específicos. Assim sendo, dependendo da performance do sistema de monitoramento, o valor da tensão CC, algumas vezes, pode atingir e ser sustentada em níveis bem abaixo de seu valor nominal, comprometendo seriamente a funcionalidade dos equipamentos alimentados por esta tensão, notadamente voltados para as funções de comando, controle e proteção de elementos do sistema elétrico tais como transformadores, reatores, bancos de capacitores, barramentos, linhas de transmissão etc. O sistema de monitoramento contra fugas a terra envolvendo os circuitos de corrente contínua atualmente utilizado em várias subestações do Sistema Elétrico Brasileiro trata-se de um sistema de concepção bastante antigo, instalado nos retificadores de

2 alimentação, baseado na comparação visual de luminosidade entre duas lâmpadas conectadas entre as polaridades positivo e terra e negativo e terra. Com relação ao monitoramento de queda de tensão, o mesmo é realizado por relés auxiliares instalados na extremidade dos circuitos CC. Estes sistemas, muitas vezes, não oferecem nenhuma precisão com relação ao nível da tensão monitorada, implicando num sério comprometimento da performance dos equipamentos de comando, controle e proteção em caso de sua solicitação sob condições anormais da tensão de alimentação e postergando ações corretivas que deveriam estar sendo tomadas de imediato pelas equipes de operação e manutenção. Fig 1 Coordenação da Proteção entre Relés de Sobrecorrente ( Ref. Bibliográfica 6. [1] ) 2. - COORDENAÇÃO DA PROTEÇÃO A filosofia de seletividade envolvendo os equipamentos de proteção dos diversos elementos de um Sistema Elétrico de Potência está fundamentada no princípio de coordenação dos tempos de atuação destas proteções. Dentro deste princípio, embora vários equipamentos de proteção possam vir a ser excitados simultaneamente para um mesmo defeito, somente o equipamento de proteção localizado mais próximo do ponto de defeito deve ser responsável por sua eliminação o mais imediato possível, restringindo assim a área afetada e preservando a integridade do restante do sistema. Somente em caso de falha dos equipamentos de proteção localizados mais próximos do ponto de defeito é que os demais equipamentos localizados mais remotamente deverão vir a atuar, porém com um comprometimento maior da área afetada. Podemos afirmar, então, que, para um determinado defeito ocorrido no sistema, alguns equipamentos de proteção são solicitados de imediato, enquanto outros permanecem em stand by para a eventualidade de falha de atuação dos primeiros. O cumprimento desta filosofia somente será possível caso os equipamentos de proteção e comando apresentem performance adequada, conforme tempos de atuação pré-estabelecidos e esperados. O descumprimento desta filosofia, provocada, por exemplo, por performance inadequada dos equipamentos de proteção e comando, poderá implicar em sérias conseqüências para o sistema elétrico como um todo. Fig 2 Coordenação da Proteção entre Relés de Distância ( Ref. Bibliográfica 6. [2] ) Outro aspecto ainda a ser considerado pertinente a Coordenação da Proteção diz respeito a proteção de transformadores para correntes passantes de elevada intensidade. Esta filosofia contempla a coordenação entre a Proteção de Sobrecorrente localizada no lado primário e a Curva ANSI do transformador, determinada conforme norma ANSI/IEEE C57.19 ( Transformer Through-Fault-Current Duration ). 2

3 Fig 3 Coordenação da Proteção entre Relés de Sobrecorrente e Curva ANSI de Transformadores( Ref. Bibliográfica 6. [3] ) Finalmente cabe mencionar os sistemas de proteção com atuação instantânea, tais como Proteções Internas e Proteções Diferenciais de transformadores, reatores e barramentos. Também no caso da Proteção Contra Corrente Passante, Proteções Internas e Proteções Diferenciais, o descumprimento da filosofia de operação, provocada, por exemplo, por performance inadequada dos equipamentos de proteção e comando, poderá implicar em sérias conseqüências para o elemento protegido, com possibilidade de expansão do defeito para outros elementos do sistema elétrico. 3. PERFORMANCE DOS EQUIPAMENTOS DE COMANDO, CONTROLE E PROTEÇÃO EM FUNÇÃO DA TENSÃO CONTÍNUA DE ALIMENTAÇÃO APLICADA Os equipamentos de comando, controle e proteção de subestações tais como relés de proteção, relés auxiliares, bobinas de abertura e fechamento de disjuntores, chaves de bloqueio, anunciadores de alarme etc, apresentam performance adequada quando submetidos a uma tensão contínua de alimentação cujo valor encontra-se dentro de uma faixa de operação definida pelo fabricante. Esta faixa de operação é, normalmente, da ordem de + ou 2% em torno de um valor definido como nominal. Os valores nominais de operação mais comuns são 48Vcc, 6Vcc e 125Vcc. Fora da faixa de operação definida em catálogo, os fabricantes não garantem a funcionalidade do equipamento. Assim sendo, toda a filosofia mencionada no item 2. poderá ser seriamente comprometida no caso da tensão contínua estar abaixo da faixa de operação definida pelo respectivo fabricante. Além da filosofia mencionada no item 2., uma série de outras lógicas funcionais dependentes da temporização de relés auxiliares também poderá vir a ser comprometida, com conseqüências desastrosas para todo o sistema. De uma maneira geral, a redução no valor da tensão contínua de alimentação implica num retardo no tempo de resposta do respectivo equipamento, culminado em recusa total de atuação a partir de um determinado nível de tensão. As figuras a seguir ilustram a resposta em função do valor de tensão de alimentação aplicado, para alguns dos principais equipamentos dos sistemas de comando, controle e proteção atualmente utilizados na CTEEP. Fig 4 Performance t=f(i,u) do Relé de Sobrecorrente ( função 51 ) tipo ICM2 / Brown Boveri 1,8 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4, ,5 5 7,5 1 12, ,5 2 22, ,5 CORRENTE (A) Curva 1 - U = 5Vdc Curva 2 - U = 125Vdc U < 49Vdc: não opera Ipgr> = 12% I1b = 6,A tp =,3s U < 74Vdc: não opera Fig 5 Performance t=f(i,u) da função 51 do Relé Multifunção tipo REL 511 / ABB ( Lote 1 ) 3

4 ,5,45,4,35,3,25,2,15,1, U < 94Vdc: não opera Isr =,5xIN= 2,6A I = 2xIsr = 5,2A,2,15,1, U < 35Vdc: não opera Fig 6 Performance t=f(i,u) do Relé Diferencial ( função 87 ) tipo RADSB / ASEA,35,3,25,2,15,1, U < 69Vdc: não opera Fig 7 Performance t=f(u) do Relé Auxiliar de Trip ( função 94 ) tipo RXMB1 / ABB,2 Fig 1 Performance t=f(u) da Bobina de Fechamento do Disjuntor PK tipo A / Delle Alsthom,35,3,25,2,15,1, U < 41Vdc: não opera Fig 11 Performance t=f(u) do Relé de Bloqueio( função 86 ) tipo RDB-21X / Kraus & Naimer,15,1, U < 73Vdc: não opera Fig 8 Performance t=f(u) do Relé Auxiliar de Comando tipo CAA72YOAAA / MTI,35,3,25,2,15,1, Fig 12 Performance da função de Alarme de Defeito Interno / Falta da Tensão Contínua de Alimentação do Relé Multifunção tipo REL 511 / ABB U < 3Vdc: não opera Fig 9 Performance t=f(u) da Bobina de Abertura do Disjuntor PK tipo A / Delle Alsthom 4

5 4. PROPOSTA DE MELHORIA DO SISTEMA DE MONITORAMENTO DO CIRCUITO DE CORRENTE CONTÍNUA DE SUBESTAÇÕES Fig 13 Performance do Relé Auxiliar de Alarme de Falta de Tensão Contínua de Alimentação tipo RTE / Milano A partir dos resultados apresentados nas figuras anteriores, fica evidente o comprometimento da característica de resposta dos diversos equipamentos quando submetidos a uma tensão de alimentação de valor inferior a faixa de operação definida pelo fabricante. Especificamente com relação aos gráficos das figuras 12 e 13, vale observar que o valor de atuação por drop out da função de alarme de defeito / falta da tensão contínua de alimentação está bem abaixo da faixa de operação das funções de comando e proteção. Isto significa que, num determinado momento, alguns equipamentos de comando, controle e proteção podem apresentar comprometimento de performance quando solicitados e ainda assim nenhum alarme estar sendo sinalizado. Em que pese o elevado índice de atuações corretas dos equipamentos de comando, controle e proteção diante de perturbações ou desligamentos intempestivos ocorridos no sistema elétrico, algumas vezes podemos constatar, a partir do acompanhamento diário destas ocorrências, a resposta insatisfatória de alguns destes equipamentos, cujas causas podem estar relacionadas com problemas no circuito de corrente contínua. O procedimento adotado nestes casos consiste na realização de verificações e ensaios em todos os equipamentos envolvidos. Com relação às verificações envolvendo os circuitos de corrente contínua propriamente ditos, na falta de um sistema de monitoramento permanente, o procedimento normalmente adotado consiste na instalação temporária de osciloperturbógrafos. Não é incomum, entretanto, que estes osciloperturbógrafos permaneçam instalados durante um considerável período sem que haja reincidência de defeito similar ao ocorrido no momento da perturbação ou do desligamento intempestivo. A partir dos resultados apresentados no item 3. e considerando suas implicações sobre as filosofias abordadas no item 2., o objetivo final deste trabalho é apresentar uma proposta de melhoria do sistema de monitoramento da tensão contínua de alimentação. Esta proposta consiste em instalar nos retificadores de alimentação e no circuito de corrente contínua de cada bay da subestação, Relés de Proteção de Subtensão CC ( função 27 ) com possibilidade de alarme remoto e monitoramento incorporados, cujos valores de atuação sejam compatíveis com os valores mínimos de operação dos equipamentos alimentados por este circuito. O relé deve ser capaz de memorizar o valor da tensão que provocou sua atuação. A partir do reconhecimento deste valor, serão tomadas as ações de operação e manutenção pertinentes. No caso do relé instalado na alimentação CC do bay, é fundamental que a faixa de operação deste relé seja mais ampla que a faixa de operação dos equipamentos alimentados pelo circuito de corrente contínua monitorado pelo mesmo. É fundamental, ainda, que o relé possua função de auto-supervisão, com alarme remoto específico. Considerando, por exemplo, um circuito de corrente contínua 125Vcc, com valor mínimo de operação dos equipamentos igual a 1Vcc, sugere-se a instalação de um Relé de Subtensão entre positivo e negativo no Retificador de Alimentação e outro Relé de Subtensão entre positivo e negativo na alimentação CC de cada bay. A figura 14 ilustra o local de instalação dos Relés de Supervisão de Subtensão lado fonte e lado carga, bem como sua integração com o Sistema de Supervisão instalados nos Centros de Operação, seguido dos níveis de ajuste para o monitoramento. 5

6 qlf 1 LADO 44V equipe de manutenção deverá ser acionada em caráter de emergência. Modbus Relé de Subtensão lado fonte Distribuição Geral 125Vcc QC1 RET BAT Atualmente encontra-se em fase de instalação nas SE's da CTEEP o Relé tipo PSVA, versão 3.2 da Pextron, faixa de operação de 4 a 25Vcc/Vca e faixa de monitoramento de 1 a 3Vcc. UTR Subdistribuição 125Vcc qxc1 Painel Comando Local qxc Modbus Relé de Subtensão lado carga Relé de Proteção Fig 14 Diagrama Unifilar 125Vcc S/E Cabreúva. Instalação dos Relés de Subtensão. O Relé instalado do lado fonte apresenta quatro níveis de ajuste de atuação: V 1 = 13Vcc/Tempo Definido 3 segundos. caráter de urgência. V 2 = 125Vcc/ Instantâneo. caráter de emergência. V (+/) = 6Vcc/ Tempo Definido 3 segundos. V (-/) = 6Vcc/ Tempo Definido 3 segundos. caráter de urgência. O Relé instalado do lado carga apresenta dois níveis de ajuste de atuação: V 1 = 15Vcc/Tempo Definido 3 segundos. caráter de urgência. V 2 = 1Vcc/Instantâneo: Ação: Alarme remoto definitivo, reconhecimento e acionamento da equipe de manutenção para intervenção em caráter de emergência. Fig 15 Relé de Proteção de Subtensão CC ( função 27 ) tipo PSVA versão 3.2 Pextron ( Ref. Bibliográfica 6. [4] ) 5. CONCLUSÃO A qualidade e confiabilidade dos sistemas de corrente contínua de subestações é de fundamental importância para o correto funcionamento dos equipamentos de comando, controle e proteção. Assim sendo, é imprescindível a instalação de sistemas de monitoramento confiáveis especificamente voltados para os circuitos de corrente contínua. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Proteção de Linhas de Transmissão - CESP / Ilha Solteira [2] GERHARD ZIEGLER / Siemens - Numerical Distance Protection - Principles and Applications. [3] CONRAD R. ST. PIERRE and TRACEY E. WOLNY Standardization of Benchmarks for Protective Device Time-Current Curves. [4] Manual de Operação do Relé de Subtensão Monofásico CC tipo PSVA versão 3.2 / Pextron. [5] ANSI / IEEE C57.19 Guide for Transformer Through-Fault-Current Duration Observação: Na ocorrência de sinalização pertinente a função de auto-supervisão, a 6

7 7. BIOGRAFIA DOS AUTORES Engº Francisco J. Borges de Moraes - Engenheiro Eletricista com ênfase em eletrotécnica graduado pela Escola Federal de Engenharia de Itajubá - EFEI em Dezembro de Pós Graduação em Pequenas Centrais Hidrelétricas pela Pontifícia Universidade Católica de Campinas - PUCCAMP em Engenheiro de Projetos de Sistemas de Comando, Controle e Proteção nas empresas Hidroservice Engenharia de Projetos Ltda (1986 a 1987) e Merlin Gerin Brasil S.A. (1987 a 1994). Engenheiro de Manutenção de Sistemas de Comando, Controle e Proteção da CESP/CTEEP desde 1994 até a presente data. Engº Nilton Célio Marcello Iniciou sua carreira profissional em 1993 como Técnico da área de Comando, Controle e Proteção da Gerência Regional de Cabreúva, na qual trabalhou por onze anos. Em 21 concluiu o curso de Engenharia Elétrica pela Universidade São Francisco - USF e passou a trabalhar no Departamento de Operação do Sistema, na Divisão de Proteção e Medição. Atualmente é Engenheiro Analista no Departamento de Operação da CTEEP, grupo ISA, na área de Avaliação da Pós-Operação. 7

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