Análise das solicitações impostas ao banco de capacitores devido à energização e manobras dos disjuntores
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1 Análise das solicitações impostas ao banco de capacitores devido à energização e manobras dos disjuntores Este Relatório Técnico apresenta os estudos das solicitações impostas ao banco de capacitores 88/138 [kv] da subestação de Piratininga II, devido à energização do banco e à manobras de chaves seccionadoras e disjuntores.
2 Feito por : Pesquisador Doutor Francisco Antonio Reis Filho. Professor Doutor Giovanni Manassero Júnior. Farfilho Consultoria Comércio e Representações LTDA SP, 30 de agosto de
3 Índice 1. Objetivos Introdução Metodologia Descrição da metodologia Descrição da subestação de Piratininga II Equivalentes de Thévenin Linhas de transmissão Transformadores Chaves controladas Pára-raios Cargas Bancos de capacitores Descrição dos casos de simulação Energização do banco de capacitores Abertura dos disjuntores na subestação durante curtos-circuitos Manobras dos disjuntores na subestação Resultados Energização do banco de capacitores Abertura dos disjuntores na subestação durante curtos-circuitos Manobras dos disjuntores na subestação Conclusões
4 1. Objetivos O objetivo deste relatório é estudar o impacto da operação do banco de capacitores shunt de 28 MVAR/88 KV localizado na barra de 88 KV da SE Piratininga. Em seguida, analisar os aspectos transitórios de chaveamento e suas conseqüentes sobretensões provenientes dessas manobras na operação da SE Piratininga. Para tal foram tomados como literal referência o circuito montado no ATP e entregue a Alpha Techno Engenharia LTDA. Convém ressaltar que não foram questionadas nem verificadas a veracidade dessas ligações bem como dos respectivos valores dos parâmetros apresentados. 4
5 2. Introdução A introdução deste relatório é dividia na apresentação dos itens listados a seguir, que são os aspectos de metodologia, sua descrição, e a apresentação suscinta da SE Piratininga. A seguir são descritos os equivalentes de Thevénin utilizados, os modelos das linhas de transmissão, dos transformadores, das chaves controladas, dos para-raios, das cargas e dos bancos de capacitores. Em seguida, são apresentadas as diversas condições de simulação efetuadas e por último as conclusões observadas. 3. Metodologia Neste capítulo é apresentada a metodologia utilizada para a análise das solicitações impostas ao banco de capacitores 88/138 [kv] da subestação de Piratininga II. Detalhes da metodologia são apresentados nos itens a seguir Descrição da metodologia A metodologia adotada para a análise das solicitações impostas ao banco de capacitores 88/138 [kv] da subestação de Piratininga II, devido às condições de energização do banco em questão, às condições de manobras dos disjuntores quando da ocorrência de eventos de sobrecorrente e às condições de manobras das seccionadoras consistiu na elaboração de arquivos de simulação no ambiente ATPDraw, para simulação no software ATP Alternative Transient Program. Neste contexto, foi efetuada a modelagem da subestação Piratininga II a partir de um arquivo de simulação do ATPDraw previamente fornecido, que contém os dados sobre os elementos que compõem esta subestação. A seguir são apresentados detalhes desse arquivo Descrição da subestação de Piratininga II A figura 1 ilustra o arquivo de simulação em formado ATPDraw, que contém os dados da subestação de Piratininga II. Este arquivo foi utilizado como base para a análise das solicitações impostas ao banco de capacitores instalado na barra de 88 [kv] da subestação. 5
6 TR1_T BPIRA TR1_H TR1_L PIR88 TR1_HN TR1_LN GXAV BXAV GEMBG BEMBG BINTE TR2_H TR2_T TR2_L GIBI BIBI TR2_HN TR2_LN GINTE TR3_H TR3_T TR3_L TR3_HN TR3_LN Figura 1: Caso base contendo os dados da subestação de Piratininga II Equivalentes de Thévenin Os equivalentes de Thevenin que representam as barras de Ibiúna, Xavantes, Embu Guaçu e Interlagos são compostos de fontes de tensão trifásicas ideais, implementadas no ATPDraw a partir do modelo TYPE 14 do ATP, em série com linhas de transmissão simétricas e acopladas magneticamente, implementadas no ATPDraw a partir do modelo TYPE 51 do ATP. Os dados desses terminais estão apresentados na tabela a seguir. Terminal Tabela 1: Dados dos terminais de Xavantes, Embu Guaçu e Ibiuna Potência de curtocircuito 1φ [MVA] Potência de curtocircuito 3φ [MVA] Tensão de linha [kv] Xavantes Embu Guaçu Ibiúna Interlagos
7 Linhas de transmissão As barras de Ibiúna, Xavantes e Embu Guaçu estão conectadas à barra de Interlagos através de três linhas de transmissão de circuito duplo, idealmente transpostas, sem a modelagem do efeito das indutâncias mútuas entre ambos os circuitos. A barra de Interlagos por sua vez, está conectada à barra de Piratininga II através de outra linha de transmissão de circuito duplo, idealmente transposta, também sem a modelagem do efeito das indutâncias mútuas entre os circuitos. Essas linhas de transmissão foram implementadas no ATPDraw utilizando o modelo de linhas idealmente transpostas, de parâmetros distribuídos conforme o modelo Clarke do ATP, e estão detalhadas na tabela a seguir. Tabela 2: Dados dos linhas de transmissão utilizadas nas simulações Linha Comprimento [km] Dados Xavantes Interlagos 7,4 Embu Guaçu Interlagos 22,4 Ibiúna Interlagos 61 Interlagos Piratininga II 1,5 R0 = 0,34741 e R1 = 0,01757 [Ω/km] X0 = 1,405 e X1 = 0,287 [Ω/km] C0 = 3, e C1 = 5,9115 [µmho/km] R0 = 0,36443 e R1 = 0,03463 [Ω/km] X0 = 1,48 e X1 = 0,363 [Ω/km] C0 = 2, e C1 = 4,64604 [µmho/km] Transformadores Para a modelagem dos três transformadores abaixadores da subestação de Piratininga II foi implementado o modelo General saturable transformer do ATP no arquivo base do ATPDraw. Os transformadores implementados a partir desse modelo são trifásicos e possuem três enrolamentos. Os enrolamentos primário e secundário dos transformadores estão na configuração estrela aterrada e o enrolamento terciário está na configuração delta. Os dados empregados no modelo do transformador estão apresentados na tabela 3. Tabela 3: Dados dos transformadores utilizados nas simulações Enrolamento Tensão [kv] Impedância de curto-circuito [Ω] Primário 199,19 (de fase) 0, j36,46 Secundário 50,807 (de fase) 0, j1,985 Primário 13,8 (de linha) 0, j1,054 7
8 Chaves controladas Os eventos de energização do banco de capacitores e manobra dos disjuntores da subestação de Piratininga II foram efetuados com o emprego de dois tipos distintos de chave controlada do ATP. Para os eventos de energização do banco e curto-circuito foram implementadas as chaves estatísticas no arquivo base do ATPDraw a partir do modelo Statistic switch do ATP. Para os eventos de abertura de disjuntor na presença de curtos-circuitos foram implementadas as chaves controladas por tempo no ATPDraw a partir do modelo Threephase time-controlled switch do ATP. As configurações das chaves controladas serão detalhadas no próximo capítulo Pára-raios O pára-raios empregado nas simulações dos eventos de energização do banco de capacitores e abertura de disjuntor foi implementado no arquivo base do ATPDraw a partir do modelo Exponential current-dependent resistor TYPE 92 do ATP. Este equipamento foi instalado na barra de 88 [kv], em paralelo com o banco de capacitores instalado nessa barra. A figura 2 ilustra a curva típica deste pára-raios [kv] I [ka] Figura 2: Curva v x i do pára-raios utilizado 8
9 Cargas Os eventos de energização dos bancos de capacitores foram efetuados considerando a barra de 88 [kv] sem carregamento algum. Para os eventos de curto-circuito, o arquivo base do ATPDraw foi modificado para incluir nessa barra uma carga indutiva cuja potência nominal é 200 [MVA] e fator de potência 0,85. Portanto: Bancos de capacitores Os bancos de capacitores utilizado nas simulações de energização e manobra de disjuntores foi implementado no caso base de simulação do ATPDraw a partir do modelo RLC branch threephase, wye coupling do ATP. Para tanto considerou-se que a potência total do banco de capacitores é de 28,8 [MVA] e os capacitores estão conectados em estrela. Sendo assim: Vale ressaltar que o emprego de capacitores ideais nas simulações do ATP pode resultar em oscilações numéricas e, conseqüentemente, imprecisões numéricas nos cálculos durante as simulações. Desta forma, para minimizar o efeito das oscilações numéricas foi acoplada aos capacitores uma resistência série de valor bastante reduzido Descrição dos casos de simulação Para a análise das solicitações impostas ao banco de capacitores devido à energização e manobras dos disjuntores da subestação de Piratininga II foram elaborados seis casos base de simulação. Três deles considerando a energização do banco de capacitores em questão e três deles considerando a manobra de disjuntores durante eventos de curto-circuito trifásico e durante a operação normal da subestação. 9
10 Energização do banco de capacitores A análise da energização do banco de capacitores foi efetuada considerando três situações distintas: a) energização do banco de capacitores sem a instalação dos pára-raios na barra; b) energização do banco de capacitores considerando a instalação dos pára-raios na barra; e c) energização do banco de capacitores considerando a instalação dos pára-raios na barra e a presença de um segundo banco de capacitores já energizado, na função back to back. É importante ressaltar que a análise do comportamento dinâmico do banco de capacitores durante os eventos de energização foram efetuadas sem a presença de cargas conectadas na barra de 88 [kv] da subestação. Sendo assim, as figuras 3, 4 e 5 ilustram os arquivos base do ATPDraw utilizados para as simulações das três situações descritas. TR1_T BPIRA TR1_H TR1_L PIR88 TR1_HN TR1_LN GXAV BXAV chave st GEMBG BEMBG BINTE TR2_H TR2_T TR2_L chave st GIBI BIBI TR2_HN TR2_LN chave st GINTE TR3_H TR3_T TR3_L TR3_HN TR3_LN Figura 3: Energização do banco de capacitores 10
11 TR1_T BPIRA TR1_H TR1_L PIR88 TR1_HN TR1_LN GXAV BXAV chave st GEMBG BEMBG BINTE TR2_H TR2_T TR2_L chave st ligaçao BMOV GIBI BIBI TR2_HN TR2_LN chave st 84 kv GINTE TR3_H TR3_T TR3_L TR3_HN TR3_LN Figura 4: Energização do banco de capacitores com a presença do pára-raios TR1_T BPIRA TR1_H TR1_L PIR88 TR1_HN TR1_LN GXAV BXAV chave st GEMBG BEMBG BINTE TR2_H TR2_T TR2_L chave st ligaçao BMOV GIBI BIBI TR2_HN TR2_LN chave st 84 kv GINTE TR3_H TR3_T TR3_L TR3_HN TR3_LN Figura 5: Energização do banco de capacitores com a presença do pára-raios e do back to back Para a simulação das condições impostas ao banco de capacitores durante a energização nas três situações distintas, foram empregadas as chaves estatísticas do ATP. Os instantes de fechamento das chaves e, como conseqüência, de energização do banco de capacitores, respeitam uma curva normal cuja média é: e o desvio padrão é: 11
12 O tempo total de simulação para todos os casos de simulação foi: A partir dos dados acima foram efetuadas cem simulações de energização do banco para cada uma das três situações descritas (um banco apenas; banco e pára-raios; banco, back to back e pára-raios). Os resultados dessas simulações estão apresentados no próximo capítulo Abertura dos disjuntores na subestação durante curtos-circuitos A análise do desempenho do banco de capacitores durante os eventos de abertura de disjuntor após a ocorrência de curto-circuito foi efetuada considerando curtos-circuitos trifásicos em quatro situações distintas: a) curto-circuito na barra de 88 [kv] da subestação com abertura dos disjuntores de proteção da barra; b) curto-circuito no transformador, com abertura dos disjuntores de proteção do respectivo transformador; c) curto-circuito na linha de transmissão entre Interlagos e Piratininga II na metade da linha. Nestas simulações considerou-se o banco de capacitores energizado e a presença dos pára-raios. É importante ressaltar que a análise do comportamento dinâmico do banco de capacitores durante os eventos de abertura de disjuntor após a ocorrência de curto-circuito foram efetuadas com a presença de cargas conectadas na barra de 88 [kv] da subestação ( ), sem a presença do segundo banco de capacitores, na função back to back. A figura 6 ilustra o arquivo base do ATPDraw utilizado para as simulações de curto-circuito e abertura de disjuntor. 12
13 chave st RC TR1_T BPIRA TR1_H TR1_L PIR88 chave st RB TR1_HN TR1_LN chave st RA GXAV BXAV GEMBG BEMBG BINTE TR2_H TR2_T TR2_L ligaçao GIBI BIBI TR2_HN TR2_LN 84 kv GINTE TR3_H TR3_T TR3_L TR3_HN TR3_LN Figura 6: Abertura do disjuntor de entrada da subestação durante evento de curto-circuito Para a simulação das condições impostas ao banco de capacitores durante a abertura dos disjuntores ocasionada pelos eventos de curto-circuito, foram empregadas as chaves estatísticas e as chaves controladas do ATP. As chaves estatísticas foram utilizadas para produzir os curtos-circuitos trifásicos na barra de 88 [kv] e as chaves controladas por tempo foram utilizadas para simular a abertura tripolar dos disjuntores na barra de 345 [kv]. Da mesma forma que os casos de energização descritos no item anterior, as chaves estatísticas implementadas para a produção dos eventos de curto-circuito respeitam uma curva normal cuja média é: e o desvio padrão é: As chaves controladas por tempo, responsáveis por simular a abertura dos disjuntores da barra de 345 [kv], respeitam a condição de corrente nula para abertura imposta pelo ATP. Portanto, a abertura não ocorre no mesmo instante para todas as chaves, porém varia em torno de: 13
14 O tempo total de simulação para todos os casos de simulação foi: A partir dos dados acima foram efetuadas cem simulações de curto-circuito. Os resultados dessas simulações estão apresentados no próximo capítulo Manobras dos disjuntores na subestação A análise do desempenho do banco de capacitores durante os eventos de manobra de disjuntor, quando da operação normal da rede, foi efetuada considerando duas situações distintas: a) manobra dos disjuntores da barra de 345 [kv] com o banco de capacitores energizado; e b) manobra dos disjuntores da barra de 345 [kv] com o banco de capacitores e o segundo banco, na função back to back, também energizado. As figuras 7 e 8 ilustram os arquivos implementados em ATPDraw para as duas situações descritas. Para ambas as simulações foram empregadas as chaves controladas por tempo do ATP. Estas chaves, responsáveis por simular a abertura dos disjuntores da barra de 345 [kv], respeitam a condição de corrente nula para abertura imposta pelo ATP. Portanto, a abertura não ocorre no mesmo instante para todas as chaves, porém varia em torno de: O tempo total de simulação para todos os casos de simulação foi: 14
15 TR1_T BPIRA TR1_H TR1_L PIR88 TR1_HN TR1_LN GXAV BXAV GEMBG BEMBG BINTE TR2_H TR2_T TR2_L ligaçao GIBI BIBI TR2_HN TR2_LN 84 kv GINTE TR3_H TR3_T TR3_L TR3_HN TR3_LN Figura 7: Manobra de abertura do disjuntor de entrada da subestação TR1_T BPIRA TR1_H TR1_L PIR88 TR1_HN TR1_LN GXAV BXAV GEMBG BEMBG BINTE TR2_H TR2_T TR2_L ligaçao GIBI BIBI TR2_HN TR2_LN 84 kv GINTE TR3_H TR3_T TR3_L TR3_HN TR3_LN Figura 8: Manobra de abertura do disjuntor de entrada da subestação com a presença do segundo banco, denominado back to back A partir dos dados acima foi efetuada uma simulação de abertura para cada situação. Os resultados dessas simulações estão apresentados no próximo capítulo. 15
16 4. Resultados Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos a partir das simulações efetuadas com os dados descritos no capítulo de Metodologia deste Relatório Técnico. Os itens 4.1 a 4.4 apresentam alguns detalhes de casos representativos das simulações efetuadas e o item 4.5 apresenta a análise estatística de todos os casos de simulação Energização do banco de capacitores 4000 [A] 3000 Corrente no banco de capacitores ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 [s] 0,5 (f ile ENERGC1SMOV.pl4; x-v ar t) c:cap1a - c:cap1b - c:cap1c - Figura 9: Corrente no banco de capacitores para a situação (a) descrita no item
17 120 Tensão na barra de 88 [kv] [kv] ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 [s] 0,5 (f ile ENERGC1SMOV.pl4; x-v ar t) v :PI88A v :PI88B v :PI88C Figura 10: Tensão na barra de 88 [kv] para a situação (a) descrita no item [A] 3000 Corrente no banco de capacitores ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 [s] 0,5 (f ile ENERGC1CMOV.pl4; x-v ar t) c:cap1a - c:cap1b - c:cap1c - Figura 11: Corrente no banco de capacitores para a situação (b) descrita no item
18 120 Tensão na barra de 88 [kv] [kv] ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 [s] 0,5 (f ile ENERGC1CMOV.pl4; x-v ar t) v :PI88A v :PI88B v :PI88C Figura 12: Tensão na barra de 88 [kv] para a situação (b) descrita no item Corrente no banco de capacitores [A] ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 [s] 0,5 (f ile ENERGC1C2CMOV.pl4; x-v ar t) c:cap1a - c:cap1b - c:cap1c - Figura 13: Corrente no banco de capacitores para a situação (c) descrita no item
19 120 Tensão na barra de 88 [kv] [kv] ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 [s] 0,5 (f ile ENERGC1CMOV.pl4; x-v ar t) v :PI88A v :PI88B v :PI88C Figura 14: Tensão na barra de 88 [kv] para a situação (c) descrita no item Tabela 1: Energização do banco de capacitores sem o segundo banco e sem o MOV Valor máximo [V] Valor mínimo [V] Média [V] Desvio Padrão [V] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C Banco de capacitores Fase A Fase B Fase C Tabela 2: Energização do banco de capacitores sem o segundo banco e sem o MOV Valor máximo [p.u.] Valor mínimo [p.u.] Média [p.u.] Desvio Padrão [p.u.] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C Banco de capacitores Fase A Fase B Fase C
20 Tabela 3: Energização do banco de capacitores sem o segundo banco e com o MOV Valor máximo [V] Valor mínimo [V] Média [V] Desvio Padrão [V] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C Banco de capacitores Fase A Fase B Fase C Tabela 4: Energização do banco de capacitores sem o segundo banco e com o MOV Valor máximo [p.u.] Valor mínimo [p.u.] Média [p.u.] Desvio Padrão [p.u.] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C Banco de capacitores Fase A Fase B Fase C Tabela 5: Energização do banco de capacitores com o segundo banco e com o MOV Valor máximo [V] Valor mínimo [V] Média [V] Desvio Padrão [V] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C Banco de capacitores Fase A Fase B Fase C
21 Tabela 6: Energização do banco de capacitores com o segundo banco e com o MOV Valor máximo [p.u.] Valor mínimo [p.u.] Média [p.u.] Desvio Padrão [p.u.] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C Banco de capacitores Fase A Fase B Fase C Abertura dos disjuntores na subestação durante curtos-circuitos Tabela 7: Curto-circuito no transformador Valor máximo [V] Valor mínimo [V] Média [V] Desvio Padrão [V] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C Tabela 8: Curto-circuito no transformador Valor máximo [p.u.] Valor mínimo [p.u.] Média [p.u.] Desvio Padrão [p.u.] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C
22 Tabela 9: Curto-circuito no capacitor Valor máximo [V] Valor mínimo [V] Média [V] Desvio Padrão [V] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C Tabela 10: Curto-circuito no capacitor Valor máximo [p.u.] Valor mínimo [p.u.] Média [p.u.] Desvio Padrão [p.u.] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C Tabela 11: Curto-circuito na barra de 88 [kv] Valor máximo [V] Valor mínimo [V] Média [V] Desvio Padrão [V] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C Tabela 10: Curto-circuito na barra de 88 [kv] Valor máximo [p.u.] Valor mínimo [p.u.] Média [p.u.] Desvio Padrão [p.u.] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C
23 Tabela 12: Curto-circuito na linha de Interlagos Valor máximo [V] Valor mínimo [V] Média [V] Desvio Padrão [V] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C Tabela 13: Curto-circuito na linha de Interlagos Valor máximo [p.u.] Valor mínimo [p.u.] Média [p.u.] Desvio Padrão [p.u.] Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C [A] Corrente no banco de capacitores ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 [s] 0,5 (f ile ABERTRAC1CRTOCIRCITO.pl4; x-v ar t) c:cap1a - c:cap1b - c:cap1c - Figura 15: Corrente no banco de capacitores para a situação descrita no item
24 80 [kv] 60 Tensão na barra de 88 [kv] ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 [s] 0,5 (f ile ABERTRAC1CRTOCIRCITO.pl4; x-v ar t) v :PI88A v :PI88B v :PI88C Figura 16: Tensão na barra de 88 [kv] para a situação descrita no item Manobras dos disjuntores na subestação 600 Corrente no banco de capacitores [A] ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 [s] 0,5 (f ile ABERTRAC1CARGA200.pl4; x-v ar t) c:cap1a - c:cap1b - c:cap1c - Figura 17: Corrente no banco de capacitores para a situação (a) descrita no item
25 80 [kv] 60 Tensão na barra de 88 [kv] ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 [s] 0,5 (f ile ABERTRAC1CARGA200.pl4; x-v ar t) v :PI88A v :PI88B v :PI88C Figura 18: Tensão na barra de 88 [kv] para a situação (a) descrita no item [kv] 60 Corrente no banco de capacitores ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 [s] 0,5 (f ile ABERTRAC1C2CARGA200.pl4; x-v ar t) v :PI88A v :PI88B v :PI88C Figura 19: Corrente no banco de capacitores para a situação (a) descrita no item
26 80 [kv] 60 Tensão na barra de 88 [kv] ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 [s] 0,5 (f ile ABERTRAC1C2CARGA200.pl4; x-v ar t) v :PI88A v :PI88B v :PI88C Figura 20: Tensão na barra de 88 [kv] para a situação (b) descrita no item Conclusões. As tensões apresentadas nas tabelas foram obtidas sempre na pior condição de fechamento e abertura dos disjuntores obtidos de forma estatística. O resultados obtidos indicam um tensão de energização próxima ou igual a 2pu, ou seja, o para-raio do capacitor deverá ser bem dimensionado independentemente se colocado na barra de 88 KV ou na entrada do mesmo. As manobras de abertura devidas a defeitos obtidos igualmente da forma anterior indicam a real necessidade de uso de equipamentos de controle para a respectiva abertura dos disjuntores em condições melhores na forma de onda de tensão, principalmente no setor de 345 KV da SE Piratininga. Como recomendação do estudo sugere-se também uma melhor verificação da TRV(Tensão de Restabelecimento Transitório) desses disjuntores devido a entrada em operação do banco de capacitores. 26
Figura Circuito para determinação da seqüência de fases
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