SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GPC a 17 Outubro de 2007 Rio de Janeiro - RJ GRUPO V GRUPO DE ESTUDO DE PROTEÇÃO, MEDIÇÃO E CONTROLE EM SISTEMAS DE POTÊNCIA GPC UTILIZAÇÃO DA PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE EXCITAÇÃO DE UNIDADES GERADORAS COMO PROTEÇÃO SISTÊMICA: CURVA TOMATE Alexandre Gonçalves Leite * Itaipu Binacional Paulo Márcio Silveira UNIFEI RESUMO Durante o comissionamento da proteção elétrica das duas novas unidades geradoras da Usina de Itaipu, diante do questionamento por parte do fabricante sobre a importância da utilização da curva Tomate na proteção contra perda de excitação e subexcitação função 40 (ANSI), já utilizada nas demais unidades, viu-se a necessidade de um estudo direcionado, balizado pelos conceitos e filosofias da proteção, com o objetivo de se confirmar qual a melhor curva a ser utilizada nas unidades de Itaipu, levando em consideração os danos causados às máquinas e aos sistemas nos quais elas estão inseridas. E é exatamente este o objetivo deste trabalho, ou seja, apresentar os resultados obtidos com estes estudos, apresentando as vantagens da aplicação da curva Tomate ante à curva mho, na proteção contra perda de excitação das unidades de Itaipu, mostrando a sua importância para o Sistema, permitindo submetê-la ao status de proteção sistêmica. PALAVRAS-CHAVE Relé 40, proteção contra subexcitação, proteção sistêmica, curva mho, curva Tomate INTRODUÇÃO Em fevereiro deste ano, com a conclusão da sua ampliação e entrada das duas novas unidades geradoras, a Usina Hidrelétrica de Itaipu passou a contar com uma potência instalada de MW, totalizando 20 unidades. Hoje, a Usina de Itaipu é responsável por aproximadamente 20% da energia elétrica consumida no Brasil e 90% da energia consumida no Paraguai, e está conectada aos principais corredores de transmissão do Sistema Interligado Nacional (SIN), tornando-a ponto estratégico e de grande relevância para os sistemas elétricos dos dois países. Diante deste contexto e tendo em vista o grande porte de suas instalações, as unidades geradoras da Usina de Itaipu possuem um complexo sistema de proteção elétrica de geradores, com diversas particularidades. A proteção elétrica das 18 unidades geradoras já existentes é feita por relés estáticos, sendo que para as duas novas unidades, a proteção é feita por relés numéricos os quais contemplam 25 funções cada. Dentre as inúmeras proteções elétricas dos geradores, está a proteção contra perda parcial ou total de excitação função 40 (ANSI), que é o foco deste trabalho. Dentre os fatores que limitam a operação das máquinas síncronas, está a excitação mínima permissível, a qual, se ultrapassada, pode acarretar prejuízos consideráveis à unidade faltosa, às unidades adjacentes e ao sistema no (*) Av. Tancredo Neves, 6731 Edifício de Produção OPSE.DT CEP Foz do Iguaçu, PR Brasil Tel: (45) Fax: (45) alexle@itaipu.gov.br

2 2 qual ela está inserida. Portanto, a finalidade do relé 40 é desligar a unidade antes que algum dano possa advir, tanto para a máquina quanto para o sistema, preocupando-se ainda para que não haja qualquer atuação incorreta durante oscilações dinâmicas estáveis SUBEXCITAÇÃO EM GERADORES SÍNCRONOS Devido a perda parcial ou total de excitação, a máquina absorverá uma elevada potência reativa (Mvar), Figura 1, podendo implicar em uma perda de sincronismo do gerador, o qual passará a girar a uma velocidade superior a velocidade síncrona. Com o aumento da aceleração, ocorre um aumento da freqüência (Figura 1), e consequentemente perdas no ferro (Foucault e histerese), resultando em um sobreaquecimento nos enrolamentos do rotor. No estator, devido a elevada absorção de corrente reativa, também ocorrerá um sobreaquecimento de seus enrolamentos proveniente do acréscimo de 2 à 4 vezes da sua corrente nominal. Além disto, os geradores adjacentes suprirão inicialmente a potência reativa solicitada pela unidade com o defeito, podendo acarretar em uma sobrexcitação destas unidades. Já o Sistema Elétrico no qual a unidade está inserida, devido a variação na tensão terminal da máquina, poderá entrar em uma condição de instabilidade, chegando em alguns casos até mesmo a um black out. O gráfico da Figura 1 mostra o comportamento de algumas grandezas durante uma simulação realizada no software ANATEM, com perda parcial da excitação na ordem de 50%. FIGURA 1 Comportamento das grandezas elétricas da máquina durante a perda parcial de excitação (50%) Três motivos principais podem ocasionar a perda de excitação: Abertura do disjuntor de campo (perda total da excitação); Curto-circuito no rotor (tensão de excitação nula ou muito baixa); Problemas no regulador de tensão (tensão de excitação reduzida); PROTEÇÃO CONTRA SUBEXCITAÇÃO EM GERADORES SÍNCRONOS Tendo em vista os prejuízos causados pela perda de excitação de um gerador síncrono, utiliza-se os relés contra subexcitação relé 40 (ANSI), que tem como função retirar a máquina de operação antes que algum dano ocorra à ela (sobreaquecimento nos enrolamentos do estator e do rotor), às unidades adjacentes (sobrexcitação) ou ao Sistema (variação de tensão). Relés de subcorrente conectados ao circuito de campo foram largamente utilizados no passado, porém devido à falta de seletividade deste tipo de relé, em 1949 Mason [1] sugeriu a utilização de um relé direcional de distância monofásico com o offset mho distance relay, alimentado pela tensão e corrente alternadas extraídas dos TCs do gerador principal. Esta filosofia ainda é a mais utilizada até hoje, e será usada como paradigma da curva Tomate, para a realização da comparação.

3 3 3.1 Curva mho Como foi dito no item anterior, após 1949 a proteção contra subexcitação tem sido efetuada tradicionalmente com o offset mho distance relay, ou seja, um relé de distância monofásico conectado aos terminais do gerador principal. X X` d /2 R X d FIGURA 2 Característica do offset mho distance relay Como podemos ver na Figura 2, para o relé de distância monofásico de característica mho deslocada, proposto por Mason [1] na década de 40, foi recomendado que o ajuste de deslocamento fosse igual a metade do valor da reatância transitória de eixo direto (X d /2), e seu diâmetro igual ao valor da reatância síncrona de eixo direto (X d ). Em 1975, J. Berdy [6] propôs a utilização de uma segunda curva com o diâmetro de 1 pu, compreendida entre os valores de X d /2 e X d /2 + 1,0 pu (duplo mho). Entretanto, isto só seria possível para geradores cujo valor da reatância síncrona de eixo direto (X d ) fosse maior que 1,2 pu, o que impossibilitou a sua inclusão nos estudos, pois o valor da reatância síncrona de eixo direto (X d ) das unidades de Itaipu é de 0,94 pu. 3.2 Curva Tomate A curva Tomate utilizada na proteção contra perda de excitação das unidades geradoras de Itaipu, possui dois critérios descritos a seguir: Critério do estator ou estabilidade estática: Supervisiona a tensão terminal do gerador e a impedância vista nos terminais da máquina para dentro da máquina. Critério do rotor ou estabilidade dinâmica: Monitora a tensão de excitação/ regulador de tensão. As zonas de atuação do relé, de acordo com os dois critérios acima citados, são definidas no plano de admitâncias através das curvas 1A, 1B e 2, que são traçadas em função da curva de Capabilidade do gerador. A Figura 3 mostra as semi-retas que representam as duas zonas da proteção, as quais são ajustadas através da sua inclinação α (variando de 60º à 120º) e de λ (distância entre a origem e a sua posição no eixo Q). Curva 2 P (MW) Curva 1A = 1B Curva de capabilidade 2 1 Q (Mvar) A B FIGURA 3 Característica da proteção no plano P-Q

4 4 A variável a ser ajustada λ, é calculada pela fórmula a seguir: 20 * Ιn * RTP λ = = Xd * Vn * RTC 20 * Q3φ * RTP 3 * ( Vφφ ) 2 * RTC Onde: In = Corrente nominal do gerador dada em A primário. Vn = Tensão nominal (entre fases) do gerador, dada em kv. Q3φ = Potência reativa em Mvar ( φφ) V = Tensão entre fases em kv. RTP = Relação de transformação do TP. RTC = Relação de transformação do TC. Xd = Reatância síncrona de eixo direto da máquina, dada em pu. Para facilitar a comparação com a curva mho e visualizar melhor a área de atuação da curva Tomate, foi feita a transposição das curvas 1A, 2A e 2 do plano de admitâncias para o plano de impedâncias, conforme mostrado na Figura 4. Podemos ver nesta figura, que a área azul do gráfico corresponde a curva 2, também conhecida como Função Lente, a qual representa a perda total de excitação. É importante ressaltar que a curva 2 tem os seus próprios ajustes, ou seja, é traçada independente das curvas 1A e 1B. Entretanto na prática, notou-se que a função lente aproxima-se muito da interseção entre as curvas 1A e 1B, o que facilita o seu ajuste e a sua implementação nos novos relés numéricos. As áreas cinzas correspondem as curvas 1A e 1B que representam a região de subexcitação da máquina. As duas curvas juntas lembram a forma de um tomate, origem do nome da curva. jx Curva Tomate R CURVA 1B CURVA 1A 110º 60 Curva 2 Função Lente FIGURA 4 Característica da curva Tomate no plano R-X Este tipo de relé possui dois estágios distintos de atuação, que variam de acordo com uma combinação de fatores, que levam em conta seus critérios. Os estágios são eles: Primeiro estágio : Quando a impedância vista pelo relé atinge uma das curvas 1A ou 1B, a tensão terminal da unidade está acima do limite inferior ajustado e a tensão de campo abaixo do valor pré estabelecido, temse então a contagem do tempo estipulada no ajuste (2s) e enfim o sinal de Trip. A temporização é para uma eventual recuperação por parte do regulador. O diagrama apresentado na Figura 5, ilustra o primeiro estágio: Curva 1A Curva 1B OU Critério do Rotor < ajuste E T=2,0s TRIP Tensão terminal > 30% FIGURA 5 Diagrama do primeiro estágio do relé

5 5 Segundo estágio : Neste segundo estágio, se a impedância atingir a característica lente da curva e a máquina estiver com uma tensão terminal maior que 30%, partirá o sinal de Trip após 200 ms. A Figura 6 ilustra o segundo estágio. Curva 1A Curva 1B Tensão terminal > 30% E T = 200 ms TRIP TRIP FIGURA 6 Diagrama do segundo estágio do relé Nota-se que a supervisão da tensão terminal da máquina, para um valor inferior à um limite pré-determinado (30%), bloqueia a atuação do relé nos dois estágios da proteção. Como os danos causados às unidades são de caráter térmico, o motivo da temporização dos relés contra perda parcial de excitação, destina-se a permitir a auto-sincronização da unidade através do regulador, evitando assim a retirada da máquina na ocorrência de transitórios UTILIZAÇÃO DA PROTEÇÃO CONTRA SUBEXCITAÇÃO COMO PROTEÇÃO SISTÊMICA Viu-se anteriormente no item 2.0, que a perda parcial ou total da excitação de uma unidade geradora acarreta em elevada absorção de potência reativa pela unidade com defeito, sendo esta potência fornecida pelas outras unidades geradoras da usina e pelo Sistema Interligado. Este quadro acarreta em queda de tensão nos barramentos de alta tensão da Usina. Consequentemente, ocorre sobrexcitação nas demais unidades sãs, que podem inclusive atingir o seu limite de corrente de excitação. No caso de Itaipu, dependendo do valor desta queda de tensão e das condições de operação e configuração do sistema 50 Hz ou 60 Hz a perda de excitação em uma unidade pode causar ainda a abertura do Elo de Corrente Contínua (Elo CC), no 50 Hz, ou do sistema de transmissão em 765 kv, no 60 Hz. Entretanto, como a estabilidade dos dois sistemas (Elo CC e 765 kv) estão relacionadas, na perda de um deles há grande possibilidade de ocorrer o desligamento automático do outro, além da abertura da interligação Norte/Sul. Desta forma, uma possível conseqüências para o SIN, se a unidade em que houve perda de excitação não for retirada do sistema a tempo pela proteção, é uma perturbação de grandes proporções ou um Black out. Por tudo isso, pode-se dizer que a proteção contra perda de excitação dos geradores admite a condição de uma proteção sistêmica CONFIRMAÇÃO DA EFICIÊNCIA DA CURVA TOMATE NAS UNIDADES DE ITAIPU SIMULAÇÕES Diante da importância da proteção contra perda de excitação, tanto para as unidades como para os sistemas, foram feitas algumas simulações utilizando o software ANATEM, com diversos arranjos do sistema e com diferentes percentuais de perda de excitação, com o intuito de confirmar a eficiência da curva Tomate no atendimento de suas funções. De acordo com o estudo, de todas as combinações de arranjo e subexcitação simuladas, em apenas uma a curva Tomate não atendia por completo as suas funções. Nesta condição, com as 9 unidades geradoras do setor de 60 Hz operando no seu limite máximo de excitação, a perda parcial de excitação em um gerador (50%) provocou uma sobrexcitação nas demais unidades sãs, levando a atuação dos seus limitadores de máxima corrente de excitação. Como podemos ver na Tabela 1, o tempo de atuação do limitador para uma perda parcial de excitação na ordem de 50%, é de 5,7s, levando o sistema ao colapso em 5,9s. Para esta mesma condição, segundo as simulações, o tempo para a impedância atingir a curva 1 é de 4,1s que somados aos seus 2s de temporização, dariam 6,1s até a retirada da unidade faltosa, levando assim o sistema ao colapso. Neste caso a impedância não chega a atingir a curva 2 antes da atuação dos limitadores.

6 6 Este problema foi facilmente resolvido, aumentando-se o tempo de atuação dos limitadores de máxima corrente de excitação das unidades, o que não implicou em alteração da sensibilidade do relé contra perda de excitação. TABELA 1 Tempos para perda de excitação parcial Critério do Curva 1 Curva 2 Limitador Colapso Rotor 50% 4,1s - 5,7s 5,9s Outro fator ponderante neste estudo foi a sobreposição da área referente à curva 2 (lente) da curva Tomate (Figura 4) com parte da área correspondente ao relé mho (Figura 2), sendo que a primeira tem uma atuação instantânea e a segunda temporizada. Isto é facilmente explicável, ou seja, no caso de uma perda parcial de excitação, o tempo que a impedância leva para atravessar a curva 1 e atingir a curva 2, para os casos simulados, foi sempre superior à 2,46 s, tempo suficiente para a atuação da curva 1 sem a necessidade da atuação da curva 2. Para a perda total de excitação, a impedância atingirá instantaneamente a curva 2, ocorrendo a atuação da proteção em aproximadamente 200 ms. Como o motivo da temporização do relé 40 é para uma eventual recuperação por parte do regulador, ela não se faz necessária quando já temos a perda total da excitação IMPLANTAÇÃO DA CURVA TOMATE NOS RELÉS NUMÉRICOS DAS NOVAS UNIDADES GERADORAS DA HIDRELÉTRICA DE ITAIPU A implantação da curva Tomate nos novos relés numéricos, chama a atenção pela sua simplicidade. Utilizando-se duas funções 40 disponíveis no IED e ajustando-as analogamente às curvas 1A e 1B (Figura 4), obtêm-se as curvas mostradas na Figuras 7. FIGURA 7 Função 40_1 e 40_2 curvas 1A e 1B Através de uma lógica simples desenvolvida no próprio relé, torna-se possível montar a curva Tomate a partir das duas funções 40_1 e 40_2 mostradas acima, de uma porta e e três temporizadores, conforme mostrado na Figura 8. Desta forma, obtêm-se uma curva com os mesmos parâmetros do relé estático. 40_1 2 s E 200 ms Trip 4 0_2 2 s FIGURA 8 Diagrama da curva Tomate no relé numérico

7 VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DA CURVA TOMATE Através do estudo realizado e da comparação entre as duas curvas, podemos listar as vantagens da implantação da curva Tomate nas duas novas unidades geradoras de Itaipu, em relação à curva mho: Atuação instantânea do relé para uma perda total de excitação; Maior confiabilidade do relé devido à temporização e a utilização dos critérios do rotor e do estator; Maior maleabilidade nas faixas de ajuste; Facilidade de implantação nos relés numéricos; Possibilidade de utilização de duas temporizações distintas; Atuação como proteção sistêmica com confiabilidade comprovada; CONCLUSÃO Apesar da preocupação em relação a uma atuação incorreta por parte da proteção contra perda de excitação, principalmente durante oscilações dinâmicas estáveis, os estudos, as simulações e a prática tem nos mostrado que esta proteção tem apresentado um comportamento adequado e atuado como uma eficiente proteção sistêmica. Podemos afirmar que a curva Tomate vem apresentando resultados satisfatórios do ponto de vista da máquina e do sistema, além de apresentar inúmeras vantagens, tornando-a, através de ajustes e temporizações adequadas, uma excelente opção de utilização em geradores síncronos BIBLIOGRAFIA [1] C.R. Mason, A New Loss-of-Excitation relay for Synchronous Generators, AIEEE Trans., vol.68, PartII, 1949,p [2] H. G. Darron, J.L.Koepfinger, J.R.Mather, P.A.Rusche, The Influence of Generator Loss of Excitation on Bulk Power System Reliability. IEEE Trans. On Power Apparatus and Systems, vol. PAS-94, n o 5, sep-oct/1975. [3] A. C. Caminha. Notas de Aula, EFEI, cap , Agosto [4] W. L. Pagliuca da Silva, Proteção contra Sub ou Perda de Excitação da Máquina Relé 40, Usina de Itaipu, [5] J. B. Mota Junior, R. J. G. Correa da Silva, Análise da Perda de Excitação nas Unidades Geradoras de Itaipu 50Hz e 60 Hz, Outubro de [6] J. Berdy, Loss of excitation protection for modern synchronous generators, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-94, nº5, September/October /1975.