Relé de Sincronismo. Promotor de Power Quality em T&D. André R. Totti. ABB HV Products - Page 1. (11) ABB

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1 Relé de Sincronismo Promotor de Power Quality em T&D HV Products - Page 1 André R. Totti andre.totti@br.abb.com (11)

2 Relé de Sincronismo: Power Quality em T&D A qualidade de energia é afetada quando os parâmetros de tensão ou corrente são destorcidos: Frequência Amplitude Harmônicos Desbalanço de fases Power Technology Products, HV Products - Page 2 Manobra U n, 60Hz Transitórios U c = k af.u n f >> 60Hz

3 Manobra de Cargas Especiais U A U B U C I A I B Esforços sobre: Disjuntores Isolamento do sistema Reatores Bancos de Capacitores Transformadores Linhas de Transmissão Power Technology Products, HV Products - Page 3 I C Exemplo: energização de banco de capacitores O relé de sincronismo evita transitórios prejudiciais Distorções em: Controle de subestações Telecomunicações Computadores Relés de proteção

4 O que é uma manobra controlada? Comandos retardados de abertura/fechamento de tal maneira que a abertura ou o fechamento ocorram no momento mais adequado Power Technology Products, HV Products - Page 4 REFERÊNCIA TEMPO DE OPERAÇÃO + TEMPO DE ESPERA Um meio de limitar os transitórios prejudiciais através de manobras com tempo controlado OBJETIVO

5 Princípio de Operação Exemplo: Energização de um banco de capacitores T F : Detecção do último zero de ref. de tensão T V : Tempo de espera programado T M : Tempo de operação do disjuntor Power Technology Products, HV Products - Page 5

6 Relé de Sincronismo - Power Quality em T&D Uso do relé de sincronismo nos problemas mais comum de power quality: Power Technology Products, HV Products - Page 6 Transitórios de tensão Afundamento de tensão - dip/sag Elevação de tensão - swell Distorção da onda de tensão Correntes de inrush Variação de freqüência Harmônicos Desbalanço de tensão Flutuação de tensão - flicker

7 Disjuntor Adequado Tempo de operação estável: pequena variação devido as condições ambientais e tensão de controle Capacidade dielétrica elevada e estável entre os contatos RRDS e RDDS Power Technology Products, HV Products - Page 7 RDDS Tensão do barramento A aplicação de relé de sincronismo é inadequada junto com os resistores de pré-inserção! probability density dielétrico Densidade de prob mecânico V estabelecimento t [ms]

8 Característica dielétrica x Tensão de estabelecimento Power Technology Products, HV Products - Page 8 voltage [p.u.] probability density A C D probability density of prestrike voltage A time [ms] Fonte: Cigre WG13.07 C time [ms] D

9 Relé de Sincronismo, > 20 anos de experiência Power Technology Products, HV Products - Page 9 Primeiras instalações em campo: ELSAM, Dinamarca, 1984: reator shunt Sydkraft, Suécia, 1986: bco capacitores shunt 1 a. geração dos relés Switchsync,1986 Publicações Técnicas e comércio Informe do Cigré 1988, etc Os estudos do Cigré começaram em 1993 Task Force , Electra No.162 & No a. geração dos relés Switchsync, 1995 Hoje contamos com uma tecnologia bem concreta. possui mais de 1600 disjuntores controlados em todo o mundo Primeia geração do relé Switchsync Segunda geração do relé Switchsync

10 Aplicações do relé de sincronismo Casos estabelecidos de manobra controlada: Capacitores shunt => corrente de inrush: 60% Reatores shunt => reingições, corrente de inrush: 25% Transformadores => corrente de inrush, sem fluxo remanente: 15% Power Technology Products, HV Products - Page 10 Casos recentes: Transformadores => corrente de inrush, com fluxo remanente Linhas de Transmissão => religamento, % compensação

11 Energização de Banco de Capacitores Problema no fechamento: altas e frequentes correntes de inrush, sobretensões, distorções da onda de tensão Solução: fechar com tensão zero no DJ Power Technology Products, HV Products - Page 11 controlado tensão Não controlado corrente

12 Princípio de Fechamento Dispersão mecânica e dielétrica Tensão suportada pelos contatos do disjuntor durante o fechamento Power Technology Products, HV Products - Page 12 ~ Tensão de estabelecimento Tempo alvo Tensão do Barramento

13 Fechamento monopolar ou tripolar Os tempos de espera dependem da aplicação: aterramento e frequência Soluções: - Operação monopolar com controle individual - Operação tripolar com pólos mecanicamente defasados Power Technology Products, HV Products - Page 13 Neutro aterrado: Os três pólos devem-se fechar com um intervalo de 1/6 de ciclo (3.33ms/50 Hz ou 2.77ms/60Hz) Neutro não aterrado: Dois pólos devem-se fechar simultaneamente, e o último, com 1/4 de ciclo depois (5 ms/50 Hz ou 4.16ms/60Hz)

14 Energização back-to-back Influência de um banco de capacitores já energizado durante a energização de um segundo: IEC : I inrush =20kA f=4,25khz tensão tensão Power Technology Products, HV Products - Page 14 corrente 1,9 pu com relé de sincronismo, I inrush 2.1 pu Referência: artigo 13/14/36-01 da CIGRE Session 2000 corrente 6 pu sem relé de sincronismo

15 ~ Abertura de Banco de Capacitores + + U S _ I + U B - U C _ Problema na abertura: riscos de restrike (reacendimentos) Solução: evitar tempos de arco curtos I Interrupção Benefício adicional ao fechamento controlado U C Power Technology Products, HV Products - Page 15 U S = U C U S tempo

16 Controle Adaptativo Mede o tempo efetivo da manobra através de TCs de linha. Power Technology Products, HV Products - Page 16 DJ TC TP Relé Switchsync Comando de fechamento do relé Comando de fechamento do disjuntor Ajusta o tempo de espera, em caso de necesidade. Compensa variações do sistema e envelhecimento do disjuntor

17 Banco de Capacitor conexões com o Switchsync Disjuntor acionamento tripolar mecanicamente defasado Disjuntor acionamento monopolar Power Technology Products, HV Products - Page 17

18 Relé de sincronismo em manobra de reatores Preocupação principal: Abertura, reignições, sobretensões, distorções da onda de tensão Solução: evitar tempos de arco curtos Sobretensão resultante Power Technology Products, HV Products - Page 18 Five-leg core Corte da Corrente time Compensação de reativos na transmissão Chaveamento frequente Three-leg core

19 Abertura de reatores Target para separação dos contatos Sobretensões de corte são suportáveis por DJ modernos Power Technology Products, HV Products - Page 19 corrente Região aceitável Apenas sobretensões de corte Probabilidade crítica RRDS Tensão Reignições são fênomenos de muito alta frequência e podem não ser mitigados por páraraios Reignição

20 Sobretensões de corte x tempo de arco Power Technology Products, HV Products - Page 20 U chopping [pu] 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1, tempo de arco [ms] Com relé de sincronismo: reator não aterrado < 2.1 pu reator solid.aterrado < 1.2 pu reignições: ~0 O relé F236 detecta eventuais reignições e corrige automaticamente os tempos de espera para a próxima abertura Sem relé de sincronismo: reator não aterrado < 2.6 pu reator solid. aterrado < 2.1 pu reignições: 2.1 a 2.5 pu

21 Fechamento de reatores Problema no fechamento: correntes de inrush de até 3.5 pu Solução: fechar no pico de tensão de cada fase Harmônicas, stress eletromecânico/vibrações no reator, corrente de sequência zero, atuação indevida da proteção Normalmente aplicado como um complemento a abertura controlada Power Technology Products, HV Products - Page 21 Corrente de inrush com núcleo saturado Sobretensão / Corr. Inrush [pu] Corrente de Inrush Sobretensão Desvio do pico da tensão [ms]

22 Exemplo de desgaste do disjuntor de reator 1500 manobras não controladas Power Technology Products, HV Products - Page manobras controladas Fonte: National Grid Transco

23 Manobra de transformadores Preocupação principal: corrente de inrush grande e pouco amortecida, vibrações, rica em harmônicos Solução: energizar com fluxo simétrico em cada fase Tipicamente acima de 245 kv Power Technology Products, HV Products - Page 23 Duas estratégias: Medida indireta do fluxo residual: abertura e fechamento com F236 Medindo o fluxo residual: fechamento com T183 Fluxo Corrente 1 2 Pequena assimetria no fluxo aumenta o inrush

24 Medida indireta do fluxo residual Abertura ocorre no zero de corrente (menor fluxo residual) Disjuntor com operação monopolar Os fechamentos subseqüentes, no pico de tensão, zero de corrente de cada fase, somam fluxo simétrico mínimo ao fluxo existente, minimizando o inrush Power Technology Products, HV Products - Page 24 O método é apropriado para a manobra regular e planejada 1 Φ [p.u.] Energização Fluxo residual t Fluxo após energização

25 Medindo o fluxo residual Disjuntor com operação monopolar Fluxo calculado na energização é igual ao fluxo residual calculado (módulo e ângulo) O método é apropriado para a manobra não planejada, abertura pela proteção Power Technology Products, HV Products - Page 25 Interrupção 1 φ = Vdt N 1 Φ [p.u.] Fluxo pré-calculado para a energização Fluxo residual Nenhuma assimetria é produzida Fluxo após energização t

26 Controle preditivo tclose (ms) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,1-0, Para transformadores ou cargas com pouca frequência de manobra Power Technology Products, HV Products - Page 26 tclose (ms) Tensão de Controle (%) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Temperatura Ambiente ( C) Os relés de sincronismo da possuem duas entradas F236 externas E113 (4 a 20mA) para controle preditivo

27 Manobra de linha de transmissão Tensão na subestação Onda viajando Onda Refletida Linha Extremo aberto Subestação Carga armazenada na linha Power Technology Products, HV Products - Page 27 Preocupação principal: religamento e fechamento: sobretensões excessivas, harmônicos Solução: fechamento com zero de tensão sobre disjuntor Tipicamente acima de 360 kv Uso tradicional de resistores de préinserção, hoje existem outras opções

28 Power Technology Products, HV Products - Page 28 Tensão residual na linha Decaimento: depende das capacitâncias para terra

29 Religamento de Linhas Sobretensões no fechamento: pu (s/pir) Sobretensões no religamento: pu (s/ PIR) Lightning impulse (causing earth fault in one phase) Temporary over voltage (in healthy phases) Switching over voltages (at re-closing) Power Technology Products, HV Products - Page 29 Voltage p.u. Induced over voltage in healthy phases 1 pu = valor de pico da tensão fase-terra Line with trapped charge after de-energising

30 Linhas não compensadas Linha com carga residual armazenada decaindo Tensão lado linha Power Technology Products, HV Products - Page 30 Tensão lado fonte Carga residual desprezível: Switchsync F236 Considerando carga armazenada na linha: Switchsync L183 Tensão lado da fonte é conhecida Tensão lado da linha é medida por TPCs

31 Manobra de linhas: conexões com relé de sincronismo Disjuntor com operação monopolar Power Technology Products, HV Products - Page 31 Carga residual desprezível Carga residual determinada por TPC s

32 Target nas linhas compensadas 2 30% Voltage [p.u.] Interferências: Oscilação da indutância do reator e capacitâncias da linha Power Technology Products, HV Products - Page 32 Voltage [p.u.] Time [ms] 2 80% Time [ms] Acoplamento entre fases Os relés de sincronismo podem ser usados com fechamento no zero de tensão da fonte, porém não é uma estratégia otimizada

33 Uso combinado com pára-raios Religamento rápido trifásico de uma linha de 200 km, 550 kv, não-compensada depois de uma falta fase terra Sem controle Power Technology Products, HV Products - Page 33 Níveis 4.00 de isolamento típicos da linha Overvoltage (p.u.) Resistores de pré-inserção PR fins de linha PR fins de linha e ponto central F236 F236, PR fins de linha F236, PR fins de linha e central L Distance in Percentage of Line Length (%)

34 Conclusões Relé de Sincronismo Power Quality Melhoram a qualidade do sistema de potência, com custo razoável A maioria dos disjuntores de alta tensão pode ser operado por relé de sincronismo Power Technology Products, HV Products - Page 34 Protegem os componentes do sistema elétrico contra stress dielétrico/eletromecânico Confiabilidade comprovada desde 1984, mais de 1600 unidades entregues pela Familiarização pelos usuários

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