XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAÇÕES E EQUIPAMENTOS DE ALTA TENSÃO - GSE

Transcrição

1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão 1.0 GSE.YY 22 a 25 Novembro de 2009 Recife - PE GRUPO - VIII GRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAÇÕES E EQUIPAMENTOS DE ALTA TENSÃO - GSE UTILIZAÇÃO DA BOBINA DE PETERSEN UM CASO PRÁTICO Eduardo Bortoletto (*) ABB Felipe Cassarotti ThyssenKrupp CSA RESUMO A qualidade de fornecimento de energia tornou-se indispensável em ambientes industriais nos dias atuais onde o foco na produção é cada vez mais evidente. Com o objetivo de garantir um fornecimento de energia otimizado a ThyssenKrupp CSA, em parceria com a ABB, optou por utilizar o sistema de aterramento ressonante, tendo como a base a experiência obtida na sua matriz na Alemanha. Esse sistema torna possível o fornecimento ininterrupto de energia durante uma falha monofásica a terra, isso graças à utilização do Supresso de Arco Elétrico, comumente conhecido como Bobina Petersen, o qual tem a função de compensar a capacitância do sistema conectante reduzindo consideravelmente o nível de curto-circuito a alguns poucos amperes. PALAVRAS-CHAVE Petersen Coil, sistema ressonante, sistema isolado, supressor de arco elétrico INTRODUÇÃO A utilização de sistemas de aterramento ressonante começou a ser difundida na Alemanha em 1917 após o início de operação da Bobina Petersen, homenagem a seu inventor Waldemar Petersen, conectada a uma rede de distribuição de 10kV em Ludwigsburg. Por muito tempo o emprego dessa técnica ficou restrito a região central da Europa e em alguns países do leste europeu. Porém, com o intuito de melhorar a confiabilidade em seus sistemas de distribuição e mesmo os industriais, vários países como Itália, França e Inglaterra começaram a adaptar seus sistemas, antes isolados ou solidamente aterrados, para o sistema de aterramento ressonante. Esta prática apesar de muito antiga não era utilizada no Brasil. A CSA empresa do grupo ThyssenKrupp, como pioneira no país, adotou este método com a finalidade de reduzir ao máximo os desligamentos do sistema quando de ocorrências de faltas para terra e garantir o fornecimento de energia principalmente para as áreas com manuseio de metais líquido do complexo siderúrgico. O sistema elétrico da CSA em 138kV é barra dupla composto de 02 entradas de linha, 03 geradores de grande porte (02 geradores de 90MW e 01 de 340MW) e 26 saídas para alimentação dos consumidores internos da planta, através desta subestação também será exportada energia para rede de 500kV de Furnas. Para estes circuitos, devido a suas longas distâncias, as capacitâncias das linhas poderão gerar correntes capacitivas indesejáveis e perigosas na ocorrência de faltas para terra. A utilização da bobina de Petersen instalada no neutro dos transformadores, ver Figura 1, cria um circuito LC denominado também com sistema ressonante que anula os efeitos desta corrente. Em termos de sistema de aterramento, no complexo da siderúrgica CSA podemos encontrar sistema ressonante aplicado na alta tensão (138kV), sistema isolado na média tensão (6,6kV) e solidamente aterrado em baixa tensão (220V). (*) Av. Monteriro Lobato, 3411 CEP Guarulhos-SP Brasil Tel: (+55 11) Fax: (+55 11) eduardo.borboletto@br.abb.com

2 2 O trabalho que será apresentado informará as vantagens e desvantagens deste sistema, a dificuldade técnica e econômica da escolha do melhor ponto para instalação da bobina de Petersen, técnicas para dimensionamento dos equipamentos e cabos de 138kV, técnica para ajustes das proteções e dificuldades encontradas na execução do projeto. A condição de sistema ressonante exigiu diversas alterações na execução do projeto, cuidados especiais foram necessários principalmente quanto a distancias elétricas, o arranjo da subestação foi alterado para atender as condições de neutro isolado, os equipamentos principalmente os para raios, cabos isolados e transformadores de potencial foram especificados para atender esta solicitação. FIGURA 1 Diagrama do sistema ressonante ASPECTOS ANALISADOS PARA FILOSOFIA DE ATERRAMENTO DO NEUTRO O aterramento do neutro é um importante aspecto no projeto de sistemas de potência, o desempenho do sistema em termos de curto-circuito, estabilidade, proteção, segurança pessoal, etc., é afetado diretamente pela configuração deste aterramento. Em sistemas de alta tensão é muito comum a utilização de sistemas de neutro solidamente ou efetivamente aterrado. 2.1 Aterramento ressonante (com Petersen coil) Este método de aterramento utiliza um reator de alta impedância sintonizável (bobina Petersen) a capacitância fase-terra total do sistema. É também conhecido como bobina de supressão de arco elétrico devido ao fato de sua compensação reduzir a níveis muito baixos a corrente de curto-circuito fase-terra a valores próximos de zero. Normalmente é conectada no terminal de neutro de transformadores ou a um barramento de neutro. Ambos os casos são utilizados nas instalaçãoes da CSA. Uma bobina está conectada diretamente ao terminal de neutro do transformador elevador da unidade geradora a vapor e a outra bobina está conectada a um barramento de neutro dando a possibilidade de conexão em qualquer dos terminais de neutro das unidades geradoras a gás como podemos ver na Figura 2.

3 3 FIGURA 2 Conexão das bobinas Petersen aos terminais de neutro dos transformadores. Uma única bobina Petersen é capaz de compensar toda a capacitância do sistema conectante. Na Tabela 1 podemos ver um comparativo entre esses sistemas de aterramento. Sistema Isolado Ressonante (com PC) Baixa impedância Continuidade do serviço Continuo, sem trip para faltas Continuo, sem trip para faltas Desligamento do alimentador Duração permissível da falta < 1hora > 1 hora < 1s Correntes de faltaterra Ice aprox. 60A-120A Ires prox zero Ik1 aprox Ik3, Se solidamente aterrado Nível de isolação requerida Fator para sobretensões (Fase-terra) Falta para terra intermitente Fase-fase Fase-fase Fase-neutro Aprox Aprox Depende possível Evitada Falta é eliminada Cross fault possível Possível Improvável

4 4 Sistema Isolado Ressonante (com PC) Baixa impedância Detecção da falta para terra Difícil Difícil rápida e seletiva Segurança humana e material Menor, se não houver dupla falta. Menor, se não houver dupla falta. Depende mais perigosa se solidamente aterrado. Stress Térmico dos Equipamentos Interferência nas Linhas de Comunicação Projeto de aterramento para correntes Baixo Muito baixo Alto Média Muito baixa Alta Ice Ires Ik1 Potenciais de toque Geralmente não requerido Geralmente não requerido Depende de Ik1 TABELA 1 Diferentes aspectos relativos à filosofia de aterramento 2.2 Aspectos relativos a proteção Em condições normais de operação em sistema ressonante, a bobina Petersen tem por função sintonizar automaticamente sua indutância de modo a anular o efeito capacitivo das linhas de transmissão. Uma vez que um circuito é ligado ou desligado o ponto de sintonia é deslocado fazendo com que o controlador da bobina busque esse novo valor. Porém, durante uma falha monofásica, considerando um sistema ideal e totalmente compensado, mostrado na Figura 2 a corrente de falha é igual a zero. Nesse caso, a proteção do sistema só seria sensibilizada após uma segunda falta. (a) (b) FIGURA 2 Diagrama fasorias a) sistema sem defeitro b) sistema sob defeito Como sabemos que tanto cabos isolados como linhas aéreas possuem componentes resistivas, durante uma falha à terra teremos somente um corrente residual circulando no neutro do sistema. É justamente a medição dessa corrente dessa corrente residual o ponto crítico de nosso sistema de proteção. Uma vez que a corrente residual decorrente de uma falta à terra é insignificante em comparado aos equipamentos de medição convencional, valor esse que tem seu máximo em 157A dependendo do circuito em falha operando sem compensação, ou seja, com a bobina Petersen desconectada, caracterizando um sistema IT isolado. Na Tabela 2 podemos comparar os valores de curto-circuito em relação a tensão de trabalho e o sistema de aterramento.

5 5 Alimentador em Falha Un (kv) Ik (RST) ka Instalação Sistema de aterramento Barra ,157 Subestação Principal Neutro Isolado Barra ,156 Subestação Principal Neutro Isolado Barra Subestação Principal Ressonante Barra Subestação Principal Ressonante WTP 1 6,6 0,024 Subestação 2 Neutro Isolado Barra 1 Sinterização 6,6 0,004 Sinterização Neutro Isolado Sistema de gás 0,46 0 Subestação 1 Neutro Isolado Barra 1 DS1 0, Subestação de distribuição 1 Solidamente aterrado TABELA 2 Níveis de curto-ciruito comparados em relação ao sistema de aterramento. Para detecção dessa corrente utilizamos então trasnfomadores somadores de corrente, como mostra a Figura 3, de modo a obetermos a corrente 3I0. Esse método de medição foi utilizado tanto no sistema ressonante em 138kV como no sistema IT isolado em 6,6kV. FIGURA 3 Transformadores somadores de corrente. Mantendo o objetivo de melhorar a confiabilidade e disponibilidade do sistema, toda falha à terra detectada apenas nos remete a sinalização de falha. Essa condição pode se manter por período indeterminado dependedo somente da ação do operador do sistema. Para sinalização e alarme de falta para terra foram adotados os seguintes métodos: a. Através da ligação de Transformadores de Potencial que estão conectados a cada uma das barras de 138kV Os enrolamentos secundários destes transformadores estão ligados em delta aberto, em condições normais de operação a tensão que aparece nos terminais é aproximadamente zero, na condição de falta a tensão que aparece nos terminais é aproximadamente 100 V. O relé de tensão instalado deverá operar entre 25 e 30 V temporizado em 2s, este relé irá sinalizar que existe uma falta para terra na barra onde estão instalados os TPs. b. Através do controlador dos Peterson Coil. O controlador do PC que esta interligado no neutro dos transformadores da termelétrica entre outras funções também supervisiona e emite um alarme ao supervisório quando da ocorrência de faltas para terra. Porém, essa medição somente nos indica que há um falha no sistema sem definição de qual alimentador está com falha. c. Para cada um dos alimentadores em 138 kv, foi instalado um transformador de corrente tipo toroidal nos cabos em trifólio, que poderão sensibilizar o relé de sobrecorrente quando da circulação de pequenas correntes de desbalanço Na ocorrência de alarme no relé de tensão sem alarme também do relé de corrente, a falta para terra neste caso não fica identificada, deste modo indefinido em qual dos alimentadores houve a ocorrência. Um modo para localização do alimentador em falta é programar desligamentos dos alimentadores (alimentador por alimentador) verificando-se assim se a falta foi eliminada através da normalização da supervisão da tensão.

6 6 OBS. A falta para terra, não é prontamente eliminada e sendo enviados alarmes para o supervisório, como já mencionado anteriormente. Nesta condição o sistema poderá continuar operando, porém recomenda-se que a falta deva ser eliminada o mais rápido possível, pois uma nova falta para terra no sistema nesta condição ocasionará em duplas faltas com valores de elevadas correntes Aspectos relativos a proteção através da função 67 W ( wattimétrico) Para a detecção da corrente residual de neutro utilizamos a condiguração de elemento detecção sensível de faltas à terra e de forma direcional e não-direcional (direta ou reversa). Para determinarmos a direção da falta utilizamos como referência a tensão residual dos transformadores de pontencial de barra conectados em delta aberto, obtendo assim a polarização para indicação de zona de operação. Esta função foi utilizada para indicar o alimentador que esta em falta para terra. Além desta função o diagrama indicado da Figura 4 fornece as demais funções de proteção utilizadas FIGURA 4 Diagrama com as funções de proteção. Em virtude do número de cabos por fase e do diâmetro necessário para os TC s toroidais para os alimetadores das unidades geradoras (até 4 cabos de 800mm 2 por fase) adotamos a conexão típica do relé com três transfomradores de corrente (TC s) de fase. Nesse caso a corrente de sequência-zero é obtida atraés da conexão Holmgreen dos TC s que embora não tenha a mesma sensibilidade obtida com TC s somadores de corrente devido ao incremento de erro de cada TC, é possível medir a corrente residual. 2.3 Aspectos relativos aos equipamentos Na condição de falta para terra a tensão da fase defeituosa é praticamente zero enquanto que as demais tensões (fase-terra) aumentam em 1,73 x VN de assumindo valores idênticos as tensões de linha, provocado pelo deslocamento do neutro como mostrado Figura 2. Alguns dos equipamentos foram alterados suas caracteriristicas principamente devido a alteração no nivel de isolação (fase-fase) requerido e suportabilidade de se operar o sistema sob defeito ( fase-terra) por tempo indeterminado. Desse modo, cadeias de isoladores, postes isoladores, buchas, pára-raios e terminações de cabos precisaram ser redimensionados para atender esse nível de isolação requerido tanto na operção de sistemas isolados com em sistemas ressonantes. No caso dos cabos isolados, essa isolação também precisou ser reforçada porém, com a redução considerável do nível de curto-circuito fase-terra, a capacidade de blindagem dos cabos acabou sendo reduzida também umas vez que a corrente circulante no neutro fica restrita a valores inferiores a 200A.

7 7 Os equipametos e materias que sofreram alteração foram : - Para-raios, alterado de PEXLIM Q120 - XV145 para PEXLIM Q180 XV245 - Transformadores de Potencial, alterado de grupo 2 para grupo 3 - Cabos e terminações de 145kV para cabos de 170kV class C - Isoladores de Pedestal alterado de 145 kv para 230 kv - cadeias de isoladores alterado de 145 kv para 230 KV 2.4 Aspectos relativos ao lay out da subestação. Devido a alteração dos equiapemtentos conforme acima mencionado e principalmente ao novo nivel de isolação as distâncias fase-terra foram aumentadas CONCLUSÃO A condição de sistema ressonante exigiu diversas alterações na execução do projeto, cuidados especiais foram necessários principalmente quanto a distancias elétricas, o arranjo da subestação foi alterado para atender as

8 8 condições de neutro isolado, os equipamentos principalmente os para raios, cabos isolados e transformadores de potencial foram especificados para atender esta solicitação. Diversas alternativas foram discutidas para a melhor posição para instalação do Peterson Coil, a utilização de transformadores Zig-zag interligado nas barras de 138kV, economicamente não foi aceita, a alternativa técnica e econômica aceita foi a instalação do PC diretamente no neutro no lado primário de 138kV dos transformadores dos geradores. A utilização de sistema ressonante apesar de necessitar de equipamentos e cabos com classe de tensão superior a tensão nominal, torna-se bastante atraente em sistemas onde o processo de fabricação exige continuidade permanente de energia.