Aplicação de Modelagem e Simulação Computacional na Definição dos Tempos de Espera para Cabos de Alta Tensão do tipo OF (OIL FILLED)

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1 Aplicação de Modelagem e Simulação Computacional na Definição dos Tempos de Espera para Cabos de Alta Tensão do tipo OF (OIL FILLED) Hédio Tatizawa, Geraldo F. Burani, Paulo F. Obase, elson M. Matsuo Instituto de Eletrotécnica e Energia da USP Universidade de São Paulo São Paulo, Brasil Wilson R. Bacega CTEEP Cia. de Transmissão de Energia Elétrica Paulista SãoPaulo, Brasil RESUMO Este artigo analisa o comportamento de cabos subterrâneos do tipo OF (Oil Filled), das classes de tensão 88kV, 138kV, 3kV e 345kV, após sua desconexão da fonte de tensão, considerando-se várias configurações, a fim de se determinar o tempo mínimo de espera para o aterramento do cabo OF, visando o escoamento das tensões elétricas residuais em condições seguras, para fins de manutenção. A importância da definição do tempo mínimo para aterramento fica evidenciada considerando-se, além do objetivo de se garantir a segurança do pessoal envolvido, o aspecto também muito importante de otimizar o período de indisponibilidade a que as instalações (linha de transmissão e subestação de energia elétrica) ficam sujeitas, permanecendo desligadas durante o tempo de espera, prejudicando assim os índices de qualidade no fornecimento de energia elétrica. De forma geral, esses tempos de espera são adotados por empresas concessionárias de energia elétrica de muitos países, nos vários continentes. esta pesquisa foi desenvolvido o modelamento elétrico das instalações, e simulações computacionais utilizando-se o programa ATP Alternative Transients Program [1] foram realizadas, com resultados validados através de medições em campo. Esses resultados demonstraram que os tempos de espera praticados, podem ser reduzidos sob condições seguras. Palavras Chaves: aterramento, cabos tipo OF, transmissão de energia elétrica, carga residual, cabos subterrâneos. 1. ITRODUÇÃO a realização de algum procedimento de manutenção em um Cabo OF (Oil Filled Cable) ou em algum equipamento associado, uma situação comum encontrado na prática é a necessidade do aterramento do equipamento, considerando-se os aspectos de segurança da equipe de manutenção e dos equipamentos. essas situações, após a desconexão do cabo da fonte de energia, um tempo de espera mínimo é necessário para o aterramento do cabo (classes de tensão 88kV, 138kV, 35kV e 345kV), através da conexão das partes vivas dos equipamentos à malha de terra da subestação. Esse tempo de espera pode ser dispendioso, uma vez que por questões de segurança pode durar algumas horas. Valores típicos para os tempos de espera situam-se em torno de 3 minutos para os cabos OF das interligações situadas dentro da subestação (nas tensões de 88kV, 138kV e 3kV), sendo de horas para linhas de transmissão subterrâneas de 3kV e de 4 horas para linhas de transmissão subterrâneas de 345kV. Os tempos de espera foram definidos considerando que, na operação de desligamento dos cabos OF, estes podem ser desconectados da fonte de tensão em situações em que quase não haja nenhuma carga (de natureza resistiva) ou equipamento conectado ao cabo, lembrando ainda que as instalações em alta tensão, por natureza, apresentam perdas elétricas muito baixas. essa situação, é importante o conhecimento da carga eletrostática residual do cabo, e de seu tempo de descarga, para assegurar a segurança de pessoas e equipamento associado. Adicionalmente, o conhecimento do tempo de descarga permitirá otimizar o tempo despendido na manutenção do cabo, reduzindo o período de indisponibilidade da linha de transmissão subterrânea associada ao cabo OF, e conseqüentemente melhorando os índices de qualidade de fornecimento de energia, trazendo benefícios aos consumidores. Este artigo mostra estudo sobre a modelagem elétrica, simulações computacionais e medições realizadas para validação da metodologia, para instalações que utilizam cabos do tipo OF, as quais foram subdivididas em famílias representativas dos vários tipos de instalações encontradas nas subestações dos sistemas de transmissão de energia elétrica. Os tipos de instalação ou situação considerados neste artigo foram: - Cabo OF longo associado a reator/sem reator. - Cabo OF associado a banco de capacitores. - Cabo OF associado a banco de transformadores. - Cabo OF associado a linha aérea.. O programa ATP A ferramenta computacional utilizada nesta pesquisa foi o programa ATP Aternative Transients Program ( desenvolvido originalmente por Hermann W. Dommel [], utilizando a linguagem FORTRA. O programa ATP é de uso livre de royalties, e em conjunto com sua versão disponível comercialmente, o EMTP The Electromagnetic Transients Program, é possivelmente o software mais utilizado em simulações envolvendo sistemas elétricos de potência. Esse programa, desde sua criação, sofreu grandes aperfeiçoamentos, desenvolvidos de forma voluntária, cooperativa e sem visar lucro, por pesquisadores de todo o mundo, através da inclusão de bibliotecas de rotinas em áreas do conhecimento especializadas, as quais abrangem praticamente todos os segmentos dos sistemas elétricos de potência, como por exemplo, máquinas elétricas, cabos, linhas de transmissão, eletrônica de potência, controles, etc.

2 3. CASO 1: CABO OF LOGO ASSOCIADO A REATOR/SEM REATOR silício, etc.). Essas perdas são de difícil quantificação, considerando-se as condições de campo na subestação R3 4 A RT MVAR Para essa medição, foi utilizado um divisor de potencial capacitivo, utilizando-se no braço secundário do divisor um voltímetro eletrostático, a fim de se prover uma alta impedância para o sinal do divisor de tensão capacitivo. Dessa forma, possibilita-se a medição de tensões em corrente contínua, e sem alterar significativamente a constante de tempo do circuito a ser medido. a Fig. 3, estão representados os resultados das medições efetuadas. Os valores apresentados no gráfico referem-se aos valores eficazes de tensão medidos OF Cable, 18, Perfil de tensão residual - cabo OF longo 16, Fig. 1 Configuração típica cabo longo com/sem reator. Tensão (kv) 14, 1, 1, 8, Essa configuração, mostrada na Fig. 1, consiste de três circuitos trifásicos, com comprimento de 8,5km de cabo OF, por fase, tensão nominal 345kV e potência 5MVA por circuito. Potência do reator 1MVAR, utilizado principalmente para a compensação de reativos e regulação de tensão. essa configuração, no caso de desligamento do cabo, o reator pode prover um caminho para terra, e a carga residual do cabo pode ser drenada ao longo de alguns segundos ou minutos. esse caso, as perdas do reator (perdas histeréticas, perdas Joule e perdas por correntes Foucault) causam o amortecimento da tensão elétrica oscilatório que se estabelece após o desligamento do cabo OF. A Fig. mostra resultado da medição efetuada, utilizando-se um divisor de potencial capacitivo acoplado a um registrador de transitórios. 6, 4,,, tempo (s) Fig. 3 Medição da tensão residual, após desligamento do cabo OF, sem reator. a Fig. 4, apresenta-se a construção típica do cabo OF: Fig. 4 Cabo OF construção típica Fig. Medição do perfil de tensão após desligamento do cabo OF, com o reator conectado. [3]. o caso do desligamento do cabo OF sem a presença do reator (por exemplo, em caso de manutenção do reator), a descarga do cabo ocorre através das perdas do cabo OF e dos equipamentos associados (todos de natureza predominantemente capacitiva, com baixas perdas: transformador de potencial capacitivo, transformador de corrente, disjuntor, pára-raios de carboneto de Considerando os dados do cabo OF: Capacitância do cabo, por metro: C=94,5pF/m Capacitância total do cabo: C =,5µF tensão nominal da linha 345kV (entre fases) tensão nominal da linha kv (fase-terra) Estimativa da carga elétrica armazenada no cabo no instante do desligamento: Q=,75 Coulombs Estimativa do tempo de descarga, considerando que a carga elétrica se escoa na forma de corrente de fuga, originada pela presença de dois pára raios (instalados em ambas extremidades do cabo), e também por correntes de fuga presentes nas superfícies dos quatro isoladores de porcelana tipo pedestal e das duas buchas de porcelana dos terminais do cabo. Dessa forma, considerando uma corrente de fuga total constante, hipotética, de 3mA:

3 Q, 75 i = t = t = 35 s = 3, 9 min t Portanto, o tempo de descarga estimado nessas condições é de 3,9 minutos. Estimativa da energia acumulada no cabo OF, sob a forma de carga eletrostática acumulada, no instante do desligamento (considerando tensão no instante do desligamento de 181,5kV): 1 1 E =. C V =., ( 181, ) = 41, kj Estimativa da energia acumulada no cabo OF, sob a forma de carga eletrostática acumulada, após 33s: 1 1 E =. C V =., ( ) = 11 J Portanto, essa análise indica que após 33s do desligamento da linha de transmissão subterrânea, 99,5% da energia inicial armazenada no cabo OF já se teria escoado. Logo, o tempo estimado considerando essas condições de contorno está, aproximadamente, concordante com as medições efetuadas, as quais indicam um tempo de 33s para uma tensão residual de 13kV (vide Fig. 3) Para a representação do cabo OF, foram considerados os parâmetros dimensionais e elétricos disponíveis sobre as instalações. Considerou-se o escoamento da carga residual através de páraraios de óxido de zinco. A Fig. 5, representa simulação computacional considerando valores de curva característica corrente x tensão do pára-raios, obtido da literatura, apresentando uma corrente de fuga de maior intensidade na tensão de operação, o que acarreta tempos de descarga menores: X_B_S_REAT_PR3>PI 1(Type 4) X_B_S_REAT_PR3>PI 1(Type 4) X_B_S_REAT_PR3>POUT 1(Type 4) Fig. 6 Simulação utilizando o ATP considerando pára-raios com corrente de fuga de menor intensidade na tensão nominal da linha de transmissão subterrânea. Conforme as simulações efetuadas, observamos que na Fig. 5 o tempo de descarga situou-se em torno de 1s. o caso da Fig. 6, o tempo de descarga deve situar-se num tempo muito superior a 3 s. o caso real da linha de transmissão subterrânea considerada, tomando por base o resultado das medições efetuadas, a curva de descarga situar-se-ia numa posição intermediária entre as curvas das Figs. 5 e CASO : CABO OF CURTO COECTADO A BACO DE CAPACITORES A Fig. 7 representa esquematicamente a montagem utilizada para a realização das medições. X_B_S_~1>PI 1(Type 4) 3 X_B_S_~1>PI 1(Type 4) X_B_S_~1>POUT 1(Type 4) Fig. 5 Simulação utilizando o ATP, considerando pára raios com corrente de fuga de maior intensidade na tensão nominal da linha de transmissão subterrânea. a Fig. 6, apresenta-se uma simulação computacional onde se considerou um pára-raios com menor corrente de fuga na tensão de operação, obtendo-se, portanto, um maior tempo de escoamento da carga residual no cabo OF. Fig. 7 Montagem utilizada para a realização das medições onde: A cabo OF B Sistema de Medições de Transitórios icolet C Divisor de potencial capacitivo D Voltímetro eletrostático E Isolador F Chave seccionadora G Banco de capacitores H Transformador de potencial a Fig. 8, estão representados os resultados das medições, e a Fig. 9 ilustra o banco de capacitores.

4 Medição - Milton Fornasaro 7, 6, 5, Tensão fase-terra (kv) 4, 3,, fase branca (kv) fase vermelha (kv) 1,, , Tempo (s) Fig. 8 Perfil da tensão residual (valor eficaz) medido na desenergização do cabo OF conectado a banco de capacitores, fases branca e vermelha. Fig. 9 Configuração do banco de capacitores (esquerda) e de cada elemento capacitivo (direita). Fig. 1 Simulação utilizando o ATP (Alternative Transients Program) Perfil de tensão residual na desenergização do cabo OF conectado a banco de capacitores, fases branca e vermelha. Os resultados das medições realizadas e das simulações utilizando o programa ATP estão compatíveis, indicando plausibilidade da modelagem. Adicionalmente, as medições indicam que as características do dispositivo de descarga do banco de capacitores atendem aos requisitos previstos em normas técnicas sobre capacitores de potência utilizados em instalações de alta tensão, as quais prescrevem um tempo de descarga máximo da ordem de 5 minutos. Através das medições e das simulações realizadas, pode-se concluir que os parâmetros determinantes do perfil de tensão residual para a situação de desligamento do cabo OF associado a banco de capacitores é determinado pela capacitância do banco de capacitores e pela resistência do elemento dissipador dos capacitores. Características do banco de capacitores: Potência nominal do banco de capacitores: 8,8MVA 4 conjuntos de 11 x 3,microfarads, conectados em série, por fase Resistência do elemento dissipador 14 Mohms, por capacitor Capacitância de 3, microfarads por capacitor, tensão nominal 13,kV Resistência do enrolamento primário do transformador de potencial: 5,669 ohms Tensão nominal do transformador de potencial 145kV, relação 46:1, 53kV:115V Considerando um comprimento aproximado de 1m para o cabo OF, e admitindo uma capacitância de aproximadamente 3pF por metro, a capacitância total Cb do cabo OF, por fase, seria: Cb = 1. 3 pf/m = Cb = 1.3 pf / m Cb = 3 nf =,3 µ F Logo, face à capacitância total do banco de capacitores (de aproximadamente 8,8 microfarads), a contribuição da capacitância do cabo OF na capacitância total do trecho considerado é bastante reduzida. Considerando os parâmetros do cabo OF e do banco de capacitores, a Fig. 1 mostra, o perfil de tensão residual para duas fases, obtido através de simulação utilizando o programa ATP. 5. CASO 3: CABO OF COECTADO A BACO DE TRASFORMADORES TRIFÁSICO. Esse circuito, mostrado na Fig. 11, é composto por um banco de transformadores tensão 3kV/88kV, potência 5MVA, conectado a cabo OF. Também nesse caso, o perfil de tensão residual após o desligamento do circuito foi determinado por simulação computacionais utilizando o programa ATP. a Fig. 1, os valores teóricos esperados são apresentados.

5 FIG. 13 Circuito monofásico ilustrativo do processo de descarga da carga residual Fig. 11 Cabo OF conectado a banco de transformadores triásico, tensão 3/88kV, potência 5MVA. 5 CTR-BC1-L-PRISEC-RM->CT88A - (Type 4) CTR-BC1-L-PRISEC-RM->CT88A - (Type 4) CTR-BC1-L-PRISEC-RM->CT88B - (Type 4) CTR-BC1-L-PRISEC-RM->CT88C - (Type 4) Com a abertura da chave, haverá uma oscilação de tensão e de corrente na freqüência natural do circuito desconectado, que depende dos valores de L e C. As amplitudes dependerão da energia armazenada nos campos elétricos e magnéticos no instante da desconexão. A oscilação sofre decaimento devido à resistência. A abertura da chave poderá provocar sobretensões. o caso analisado, a indutância da figura representa basicamente a indutância de magnetização do transformador (no caso, o transformador encontra-se em vazio), a resistência representa a perda no transformador (em vazio) e a capacitância é o total das capacitâncias do trecho, que inclui a do cabo e a de outros componentes, como, transformadores, isoladores, disjuntor e barramento. As medições de campo realizadas, utilizando-se aparelho registrador de transitório acoplado a divisor de tensão capacitivo, confirmaram os resultados das simulações computacionais. A Fig. 14 mostra resultado de medição efetuada do perfil de tensão residual em um dos transformadores monofásicos do banco de transformadores, a qual confirma o resultado das simulações computacionais Fig. 1 Cabo OF conectado a banco de transformadores trifásico tensão 3kV/88kV, potência 5MVA Perfil de tensão residual após desligamento do circuito, determinado a través de simulação computacional utilizando o programa ATP. Para o desenvolvimento da modelagem do circuito Cabo OF Banco de transformadores, foram considerados como fatores determinantes do perfil de tensão residual, as características do cabo OF, principalmente sua capacitância por metro, a corrente de magnetização, as características da curva de magnetização e perdas em vazio do banco de transformadores. Além disso, como parâmetros que podem influir nos resultados das simulações, foram consideradas: a impedância de curto-circuito e a ligação dos enrolamentos dos transformadores. Para uma compreensão qualitativa do processo envolvido na descarga da carga residual de cabo com a desconexão do trecho da linha subterânea, é apresentado na Fig. 13 um circuito simplificado, monofásico, com elementos RLC em paralelo, em que a chave da fonte de alimentação é aberta num certo instante t(). Fig. 14 Cabo OF conectado a banco de transformadores trifásico tensão 3kV/88kV, potência 5MVA Perfil de tensão residual após desligamento do circuito, determinado através de medição realizada com divisor de potencial capacitivo associado a aparelho registrador de transitórios. 6. CASO 4: CABO OF COECTADO A LIHA AÉREA. Este caso caracteriza-se basicamente pela presença de um cabo subterrâneo OF curto (14m), uma linha aérea relativamente longa (foi admitido o comprimento de 1 km) e um transformador de potencial indutivo em uma das fases, tomando-se como referência uma configuração típica. Foram consideradas como fatores determinantes do perfil de tensão residual as características de saturação e de perdas no núcleo do transformador de potencial e, principalmente, as perdas nas isolações dos componentes da rede, a saber: isolação do cabo, isoladores da linha aérea e de outros componentes e pára-raios.

6 Devido à falta de informações relativas às perdas nas isolações, foi feita uma análise paramétrica, utilizando diversos níveis de valores de resistência para representar essas perdas. Com isso pretendeu-se obter uma certa sensibilidade quanto ao tempo de descarga das cargas residuais. Quanto ao modelamento do transformador de potencial, cabem as mesmas considerações apresentadas nas simulações do banco de transformadores (caso 3) RRF-3CS-1M->L1IIA(Type 4) RRF-3CS-1M->L1IIB(Type 4) RRF-3CS-1M->L1IIC(Type 4) FIG Desenergização de cabo OF de 88 kv conectado a linha aérea, com transformador de potencial, sem carga, em uma das fases. Linhas aérea simples (sem acoplamento) - com resistência equivalente de perda de 1 MΩ As simulações indicaram que o tempo de decaimento da tensão residual é bastante curto na fase em que o TP encontra-se ligado. As fases sem TP são mais críticas quanto ao tempo de descarga, pois a descarga depende de existência de perda nas isolações. a medição do perfil de tensão residual, observou-se um decaimento muito rápido dos valores medidos. Os registros obtidos utilizando-se o aparelho registrador, apresentados na Fig. 16, mostram rápido decaimento das tensões residuais nas três fases, em tempo inferior a 1ms. Fig. 16 Cabo OF conectado a linha aérea de 88kV. Medição da tensão residual no cabo OF após desligamento As simulações indicaram que o tempo de decaimento da tensão residual é bastante curto na fase em que o transformador de potencial encontra-se ligado. as fases sem esse transformador o tempo de descarga, depende de existência de perda nas isolações da linha aérea, verificando-se através das medições que esse tempo de descarga é bastante curto, inferior a 1ms. 7. COCLUSÕES Este artigo apresentou um estudo para avaliação do tempo de decaimento das tensões residuais de desconexão de cabos Oil Filled (cabos OF), baseado na modelagem das instalações elétricas, compreendendo circuitos típicos de subestações e de linhas de transmissão que utilizam cabos do tipo OF, e simulações computacionais utilizando-se o programa ATP. Os resultados das simulações computacionais foram validados através de medições das tensões residuais realizadas em instalações reais. Através deste estudo, foi possível estabelecer tempos mínimos de espera para a realização das atividades de manutenção e de operação desses circuitos sob condições seguras, para as pessoas envolvidas e para os equipamentos, possibilitando a redução dos períodos de indisponibilidade dessas instalações. Com base neste estudo, foi possível estabelecer como tempo de espera seguro para as instalações que utilizam o cabo OF, um tempo de 3 minutos, bastante inferior aos tempos praticados anteriormente, de 4 horas no pior caso. 8. REFERÊCIAS [1] ATP - Alternative transients program - Rule Book, Bonneville Power Administration, [] Dommel H.W., Digital computer solution of electromagnetic transients' in single and multiphase networks, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems Vol Pass 88, 4, April [3] Tatizawa H., Citron E.W., Obase P.F., Bacega W., Castro A.F., Medição e modelamento da carga residual em cabos de alta tensão do tipo OF (OIL FILLED), Proceedings of the X ERLAC/CIGRE, 3, Argentina. [4] Citron E.W., Bacega W.R., Tatizawa H, Obase P.F., Matsuo.M., High Voltage OF (OIL FILLED) Cables - Determination of the Safe Time for Grounding, Proceedings of the II IEEE Transmission & Distribution Latin America 4, Brazil. [5] Lat, M.V. A method for performance prediction of metal oxide surge arresters, IEEE PAS, Vol. PAS-11, April 198, p [6] Murase H., Yoda M., Sawa G. et al, Residual dc Charge Decay Mechanism in a Transmission Line under Fine and Dry Weather Conditions. Proc. VIIth IEEE International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, 3.