Micro Redes. Sistema de Proteção com auto-restauração (Self Healing)

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA JÚLIO DE MESQUITA FILHO FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Micro Redes Notas de Aula Sistema de Proteção com auto-restauração (Self Healing) Prof a Mariângela de Carvalho Bovolato Ilha Solteira - SP, outubro de 2013

2 1 - Introdução A auto-restauração (Self-Healing) do sistema de entrega de energia é um conceito que possibilita a identificação e isolação dos componentes com faltas no sistema e a restauração do serviço de fornecimento do consumidor por elementos saudáveis. Esta atividade pode ser conduzida com pequena ou nenhuma intervenção humana e tem o objetivo de minimizar as interrupções de serviço e evitar a deterioração da confiabilidade do sistema. A auto-restauração do Sistema de Distribuição de Energia é conduzida via Automação da Distribuição (DA), especificamente através da proteção inteligente e de dispositivos de chaveamento que minimiza o número de interrupções do consumidor durante uma condição de contingência pela ação da isolação automática do componente defeituoso (falha) e transferindo o consumidor (sua carga) para uma fonte ativa quando seu fornecimento normal é perdido. A fonte opcional pode incluir alimentadores visinhos, através da Distribuição de energia com recursos (DER) tais como Geração Distribuída (DG), Distribuição de Energia Armazenada (DES), etc. por esta razão alguns autores preferem usar o termo auto-restauração em vez de Self-Healing. Isto equivale a observar que a implementação da auto-restauração no Sistema de Distribuição necessita de projetos (esquemas) que sejam flexíveis o sufucuente para ajustar mudanças no carregamento do sistema e condições de configuração (incluindo modificação no cenário de proteção automaticamente) e operar os componentes do sistema de distribuição dentro de suas categorias (dentro dos limites de potência nominal, tensão nominal, etc). A automação da distribuição é um conjunto de tecnologias que possibilita uma concessionária de energia Elétrica monitorar remotamente, coordenar e operar componentes da proteção do sistema de distribuição em modo de tempo real através das locações remotas. A automação da Distribuição (DA) inclui subestações, alimentadores e automação dos consumidores. A DA é um componente vital para executar a capacidade do self-healing, alta confiabilidade e qualidade de energia do Smart-Grid, tão bem como para permitir a integração do recurso de energia distribuída. A DA é direcionada para: - endereçar a necessidade relativa ao serviço de confiabilidade e qualidade de energia; - incentivar reguladores (regulamentação) e penalidades; - pressionar o corte dos custos e otimizar as operações. Os benefícios da DA podem ser classificados em funcionalidades e monetários e eles são funções de aplicação específica para serem organizados. Uma das

3 aplicações da DA mais populares é a localização de faltas, isolação e serviço de restauração, também conhecido como FLISR. 2 Self Healing do Sistema de Distribuição O Self-Healing ou auto restauração caminha através da abordagem convencional da proteção tais como a transferência de carga automática e seccionalização de um circuito fechado (malha) para o mais avançado agente-base do projeto (esquema) de restauração incluindo a Distribuição de Energia com Recursos (DER), de ilhamento intencional. A auto restauração pode ser implementada utilizando somente chaves (não considerando quando na falta de detecção de corrente ou capacidade interrompida), somente religadores ou a combinação dos dois dispositivos. A vantagem de se usar chaves para conduzir a auto restauração é que esta evita procedimentos ou comportamentos com saídas ou perda relativa para a coordenação da proteção, a qual deve ocorrer quando o fluxo de potência (carga) de um lado para o outro no dispositivo é invertido devido a transferência de carga para um alimentador vizinho. Se não levar particularmente em conta esta situação, isto pode levar para uma descoordenação da proteção e a curtos(falha) nos religadores, causando transtornos a este dispositivo. Entretando, os modernos reguladores controlados remotamente permitem superar este problema, sendo o obstáculo a necessidade de calcular e programar diversos cenários (locais) para a proteção de sobrecorrentes, dependendo do potencial da configuração dos alimentadores. Isto pode ser superado com a implementação de uma proteção ajustável (adaptável) do sistema. Novas tecnologias, incluindo religadores de pulso monofásicos fornecem alternativas adicionais para a implementação de esquemas de auto-restauração. Apesar dos religadores monofásicos permitirem a detecção e isolação, somente na fase afetada na condição de falta monofásica ou bifásica, existe limitações práticas tais como equipe (pessoal) de segurança que evita a implementação deste tipo de operação para os propósitos de auto restauração, e isto é limitado somente para aplicações especializadas. O conceito de auto-restauração em Sistemas de Distribuição parece ser mais adequado para alimentadores urbano e suburbano, onde abrem laços(malhas) e as rotas alternativas de fornecimento estão disponíveis, mas não para os alimentadores rurais, onde a distribuição radial é predominante. Entretanto, no ultimo caso a implementação das microgrids e ilhamento intencional de Geração Distribuída (DG) e Distribuição de Energia Armazenada (DES), podem ajudar a minimizar os impactos de confiabilidade, pois sucessivas experiências a este respeito têm sido apresentado na literatura. No caso de alimentadores de distribuição urbanos e suburbanos, alternativas como operação de abertura de laço (malha) de alimentadores de média tensão é possível ser implementado no contexto da auto-restauração, embora alcançando

4 outros benefícios como melhoria da eficiência do Sistema. Isto quer dizer que não exista uma série de dificuldades para implementar tal operação. Entretanto, novas tecnologias e o crescimento da capacidade de monitoramento e controle, estão incrementando a viabilidade de utilização deste tipo de operação (assim mesmo muito limitado para aplicações específicas), de uma forma mais ampla. O principal aspecto da auto restauração, quando aplicada no sistema de distribuição, é a necessidade de identificar o local da falta e se possível antecipar a ocorrência desta. Inúmeras propostas e produtos comerciais estão disponíveis nesta área. Diferentes níveis de capacidade de localização de faltas estão sendo disponibilizadas não somente a nível de dispositivos de campo tais como os modernos relés baseados em microprocessadores e religadores, mas também no gerenciamento (do lado da demanda) do sistema de Distribuição. Isto inclue a localização de qualquer falta ou interrupção. O objetivo da localização da falta e sua identificação com precisão é nos componentes do alimentador com falha (poste, linha de distribuição, etc), enquanto que a localização da interrupção tem a meta de identificar o dispositivo de proteção que tem que ser operado para isolar a falta. Nisto está a qualidade, é o que vale a pena, relembrando que nem todos os dispositivos de proteção são monitorados em tempo real, portanto a localização da interrupção (saída) é visada pelo operador do sistema de distribuição, quando detectando a operação deste tipo de dispositivo e confirmando a operação daqueles que estão sendo supervisionados em tempo real. Revisão: out/2012 Sobrecorrentes: é a intensidade de corrente superior à máxima corrente permitida para um sistema, equipamento ou para um componente elétrico qualquer. Corrente Nominal do Fusível: é o valor de corrente que o fusível pode suportar continuamente sem deteriorar-se ou exceder os limites de temperatura

5 especificados, satisfazendo as características de tempo/corrente desta especificação. Elo- Fusível Protegido: é aquele que está instalado do lado da fonte. Elo Fusível protetor: é aquele que está instalado do lado da carga Principio de Funcionamento da Chave Fusível, do tipo expulsão. Quando da circulação de sobrecorrente em uma chave fusível, devido ao efeito térmico, o elemento fusível se funde, interrompendo o circuito. A alta temperatura do arco provoca a queima e a decomposição parcial do revestimento interno do cartucho, gerando gases que interrompem o arco no instante de corrente nula. A pressão dentro do cartucho aumenta em função dos incrementos de temperatura e a geração dos gases cria condições dentro do tubo que ajudam a desionizar o caminho do arco. A pressão exercida também ajuda a manter a condição de circuito aberto, uma vez que as partículas ionizadas forçam a abertura das extremidades do cartucho, sendo expelidas em seguida RELIGADOR AUTOMÁTICO O Religador Automático é um dispositivo interruptor automático, que abre e fecha seus contatos repetidas vezes na eventualidade de uma falha do circuito por ele protegido.

6 2.2.1 Principio de Funcionamento. O Religador é um equipamento de proteção a sobrecorrentes utilizado em circuitos aéreos de distribuição, que opera quando detecta correntes de curtocircuito, desligando e religando automaticamente os circuitos um número predeterminado de vezes. Quando o religador sente uma condição de sobrecorrente, a circulação desta corrente é interrompida pela abertura de seus contatos. Os contatos são mantidos abertos durante determinado tempo, chamado de tempo de religamento, após o qual se fecham automaticamente para reenergização da linha. Se, no momento do fechamento dos contatos, a corrente persistir, a sequência abertura/fechamento é repetida até três vezes consecutivas e, após a quarta abertura os contatos ficam abertos e travados. O novo fechamento só poderá ser manual. As operações de um religador podem ser combinadas nas seguintes sequências:

7 a- se for ajustado para 04 operações: -uma rápida e três retardadas; -duas rápidas e duas retardadas; - três rápidas e uma retardada; - todas rápidas; - todas retardadas. b- para qualquer número de operações menor que quatro, em combinações similares de operações rápidas e retardadas. A partir dessa característica de temporização dupla, pode-se coordenar o equipamento com os fusíveis dos ramais de um alimentador ou outros equipamentos localizados a jusante. Religador na saída de Subestação- (fonte CEMIG) Os fabricantes, geralmente fornecem a curva média para uma operação temporizada do religador, com variações de ± 10%. Isto significa que para uma dada corrente In, o tempo de operação correspondente pode variar sobre uma reta, de ± 10% na base do tempo e ± 10% na base da corrente. O maior desvio será o limite aceitável. Quando se estuda a coordenação dos equipamentos, pode-se levar em consideração esta tolerância, admitindo sempre o caso mais desfavorável.

8 2.2.2 Classificação dos Religadores

9 a- Quanto ao número de fases Monofásicos: são utilizados para proteção de linhas monofásicas ou ramais de alimentadores trifásicos, um para cada fase, onde as cargas são predominantemente monofásicas, sendo que na eventualidade de ocorrer uma falha permanente para terra, será bloqueada somente a fase com falha, enquanto é mantido o serviço aos consumidores ligados às outras duas fases. Trifásicos: são utilizados onde é necessário o bloqueio das três fases simultaneamente, para qualquer tipo de falha permanente, a fim de evitar que cargas trifásicas sejam alimentadas com apenas duas fases. Os religadores trifásicos podem operar das seguintes formas: -trifásicos com operação monofásica e bloqueio trifásico: são constituídos de 03 religadores monofásicos, montados em um único tanque, com mecanismos interligados apenas para proceder o bloqueio trifásico. Cada fase opera independentemente em relação às correntes de defeito. - trifásicos com operação trifásica e bloqueio trifásico: são constituídos de um único religador, que opera e bloqueia sempre trifasicamente, independente do tipo de falta. Mesmo que a falta ocorra somente em uma fase, todos os contatos realizam a operação de abertura e fechamento. b- Quanto ao tipo de controle Os religadores possuem dois tipos de controle: - controle hidráulico : as correntes são detectadas pelas bobinas de disparo que estão ligadas em série com a linha. Quando, através da bobina flui uma corrente igual ou superior à corrente mínima de disparo do religador, também conhecida como pick-up, o núcleo da bobina é atraído para seu interior, provocando abertura dos contatos principais do religador. Nos religadores com corrente nominal de até 200ª, são empregadas molas de fechamento, que são carregadas pelo movimento do núcleo da bobina série. Nos religadores com correntes nominais de 250, 280, 400 e 560 A, o fechamento é realizado pela bobina de fechamento, que é energizada pela tensão da linha. - controle eletrônico: o religador, com este tipo de controle apresenta mais facilidade para ajustes e ensaios e maior flexibilidade. É mais preciso, em comparação ao controle hidráulico. Este controle abriga-se em uma caixa separada do religador e permite modificações de ajustes no equipamento, sem a necessidade de sua abertura, onde tem-se: Característica tempo x corrente; níveis de corrente de disparo; sequência de operação. c- Quanto ao meio de interrupção

10 Os religadores, em relação ao meio de interrupção, classificam-se em: - religadores com interrupção a óleo; - religadores com interrupção à vácuo. A interrupção à vácuo apresenta um período de trabalho cerca de 3 a 4 vezes maior do que o com interrupção a óleo, mas são mais caros devido as garrafas de vácuo serem importadas SECCIONADOR AUTOMÁTICO O Seccionador Automático é um equipamento utilizado para interrupções automáticas de circuitos, que abre seus contatos quando o circuito é desenergizado por um equipamento de proteção situado à sua retaguarda e equipado com dispositivo para religamento automático Principio de Funcionamento. O Seccionador é um equipamento basicamente construído de um elemento sensor de sobrecorrente e de um mecanismo para contagem de desligamentos do equipamento de retaguarda, além de contatos e de dispositivos para travamento na posição aberto. Quando ocorre uma sobrecorrente no circuito, passando através do seccionador, cujo valor seja maior ou igual à corrente de acionamento, o equipamento é armado e preparado para a contagem. A contagem se inicia quando a corrente que circula por ele é interrompida pelo equipamento de retaguarda ou cai abaixo de determinado valor. Após um certo número dessas ocorrências, que corresponde ao ajuste do equipamento, ele abre os contatos e permanece travado na posição aberto, isolando o trecho com falha.

11 2.3.2 Classificação dos religadores - Quanto ao número de fases: Monofásicos: são utilizados exclusivamente para seccionamento automático de sistemas monofásicos primários de Distribuição. Trifásicos : são utilizados exclusivamente para seccionamento automático de sistemas trifásicos primários de Distribuição. - Quanto ao tipo de controle : Controle Hidráulico: Este mecanismo compõe-se de3 uma bobina série e do respectivo êmbolo, um pistão de disparo, uma mola e duas válvulas de retenção. Um seccionador hidráulico opera, quando sua bobina série é percorrida por um fluxo de corrente que exceda 160% de sua corrente nominal. A operação de contagem de um seccionador típico se faz quando o religador de retaguarda interrompe uma sobrecorrente. O equipamento pode ser ajustado para mais de uma contagem e caso o número programado seja completado dentro do período de memória, o dispositivo abrirá seus contatos e só poderá ser fechado manualmente. O tempo de rearme dos seccionadores com controle hidráulico é de 1 a 1,5 minutos por contagem. Como a corrente mínima de acionamento é de 160% da corrente nominal da bobina, podem-se obter determinadas correntes mínimas de atuação através da simples troca de bobina série do equipamento. Controle Eletrônico: As unidades controladas eletronicamente preparam-se para contar quando ocorre uma sobrecorrente e completam a contagem quando o

12 circuito for desenergizado. A diferença está no fato de que os seccionadores com controle eletrônico têm suas operações supervisionadas por circuitos de estado sólido. Ocorrendo uma falta permanente, o seccionador irá disparar após o número prefixado de contagens. Caso a falta seja temporária, o circuito armazena a contagem em uma memória eletrônica até o tempo preestabelecido, para depois, gradativamente, esquecê-la Acessórios Existem acessórios que aumentam a flexibilidade de aplicação dos seccionadores e são normalmente usados onde a coordenação é particularmente difícil. a- Acessório restritor de tensão Este dispositivo faz com que o equipamento seja capaz de contar somente as operações do dispositivo situado do lado da fonte e isto permitirá que o seccionador conte as interrupções somente quando não existir tensão no mesmo. Foi projetado somente para seccionadores trifásicos hidráulicos. b- Acessório restritor de corrente: Este acessório desempenha a mesma função que o acessório restritor de tensão, efetua nos seccionadores hidráulicos, mas só é disponível para seccionadores eletrônicos e sua atuação se faça por comparação de correntes. c- Acessório restritor de corrente inrush. Correntes de inruh são correntes transitórias de energização e desenergização de circuitos e equipamentos. Os acessórios restritor de corrente inruh são utilizados em sistemas onde a coordenação é prejudicada por altas correntes de inruh e quando este problema não é solucionado pelo aumento da corrente de atuação do seccionador, os equipamentos eletrônicos podem ser usados com o acessório restritor de corrente inruh.. Este tipo de acessório só é utilizado para seccionadores com controle eletrônico.