PROTEÇÃO PARA CABOS SUBTERRÂNEOS/SUBMARINOS USANDO ESQUEMA DE COMPARAÇÃO DIRECIONAL DE SEQÜÊNCIA-NEGATIVA

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1 PROTEÇÃO PARA CABOS SUBTERRÂNEOS/SUBMARINOS USANDO ESQUEMA DE COMPARAÇÃO DIRECIONAL DE SEQÜÊNCIA-NEGATIVA Jesús Vargas INELAP-PQE. Guadalajara, Jal. Méxio Arando Guzán Shweitzer Engineering Laboratories Pullan, WA USA Jorge Robles Coision Federal de Eletriidad Méxio, D.F. Méxio RESUMO Os requisitos para o sistea de proteção de abos subterrâneos e subarinos são diferentes do que aqueles usados para linhas aéreas. Este paper analisa a apliação de esqueas de oparação direional para proteger dois abos subarinos de 34,5 kv. Esses abos tê 4 k de extensão e interliga a Ilha de Cozuel ao sistea do ontinente do Méxio. O artigo disute a odelage dos abos através de oponentes siétrias e analisa a perforane do eleento direional de seqüênia-negativa durante ondições de faltas nos abos. INTRODUÇÃO Tradiionalente, relés difereniais de orrente tê sido usados para proteção de abos nas apliações da transissão e da distribuição. Essas apliações tabé requere relés de distânia ou de sobreorrente direional para propiiar proteção quando o anal de ouniação estiver fora de serviço. Este paper propõe ua solução alternativa para proteção de faltas desequilibradas. A solução é baseada nos relés direionais de seqüênia-negativa usados e u esquea de oparação direional. Essa solução propiia ua obertura exelente para resistênia de falta e não requer proteção de bakup adiional. O artigo tabé analisa a perforane do relé direional nas apliações de abos e que a aditânia do abo não é desprezível. PROTEÇÃO PARA CABOS SUBTERRÂNEOS E SUBMARINOS Os abos de transissão de energia são os eios ais onfiáveis para onexão de diferentes equipaentos e u sistea elétrio [1]. Eles pode ser usados oo links da transissão e da distribuição. Esperaos ais apliações dos abos de potênia nos sisteas elétrios devido aos avanços na tenologia do abo de polietileno retiulado ( Cross-Linked Polyethylene XLPE), restrições abientais e disponibilidade de direito de passage. Os abos de potênia requere proteção para ondições de orrente de sobrearga e urto-iruito. As apliações da proteção dos abos de potênia deve onsiderar as diferentes onfigurações e araterístias da ipedânia dos abos. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.1

2 Tipos de Cabo [] Tubular ( Pipe ) Este abo onsiste de três abos o ondutores blindados, ada u o u ondutor de obre, isolação de papel ipregnado, fita seiondutora e skid wires (para proteção eânia durante a instalação e para failitar o puxaento do abo). Os abos são instalados e u tubo de aço, o qual é revestido pelo lado de fora para evitar orrosão. Enhiento de Fluído sob Pressão o Isolação de Papel Ipregnado ( Self-Contained Fluid Filled SCFF) Estes abos onsiste de três abos onofásios, ada u deles tendo u ondutor de obre o u núleo oo. O núleo oo perite a pressurização do fluído, o fluído dielétrio sob pressão de 15 a 40 psi (libras por polegada quadrada) ou sob alta pressão de aproxiadaente 00 psi, dependendo da apliação. Os abos são noralente isolados o papel ipregnado e tê revestiento de hubo ou aluínio para evitar a entrada de uidade e suportar a pressão do fluído. Dielétrio Sólido Estes abos onsiste de três abos onofásios ou três ondutores siples, ada u deles o sua própria isolação instalada e ua aração ou. O abo é forado por ondutores de obre ou aluínio o isolação de XLPE ou EPR ( Ethylene Propylene Rubber Borraha Sintétia de Etileno Propileno) e u revestiento externo ontra penetração de uidade. Os abos XLPE, oo o que está ostrado na Figura 1, são os preferidos tanto para linhas de transissão quanto da distribuição. Os abos de édia tensão são protegidos através de u revestiento externo de loreto de polivinila (PVC) ou XLPE. A atosfera úida (água, sal, poluição, et.) assoiada ao apo elétrio de alta intensidade provoa o fenôeno onheido oo arboresênia elétria provoada pela água ( water tree ) na isolação. Ua vez que esse fenôeno danifia a isolação e u período de tepo de operação relativaente urto, os abos de alta tensão de XLPE neessita de barreiras ontra a entrada de uidade no revestiento etálio, instaladas sob os revestientos externos. Os revestientos etálios pode ser de aluínio (Al), aço inoxidável, hubo (Pb), fita lainada de Al ou fita lainada de Pb. Figura 1: Construção do Cabo de XLPE. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.

3 Proteção dos Cabos para Corrente de Curto-Ciruito O abo deve ser protegido ontra o sobreaqueiento ausado pela irulação de orrentes elevadas de urto-iruito no seu ondutor. O ponto da falta pode ser no próprio abo ou e qualquer outra parte do sistea elétrio. Durante ua falta entre fases, as perdas I R no ondutor da fase eleva a teperatura do ondutor e onseqüenteente a dos ateriais de isolação, blindagens e adjaentes. Durante ua falta à terra, as perdas I R tanto no revestiento quanto no ondutor da fase eleva a teperatura de fora siilar à das faltas entre fases. Durante a irulação da orrente de urto-iruito, não deve ser peritido que a teperatura do ondutor auente até o ponto e que possa prejudiar os ateriais de isolação. A proteção dos abos durante ondições de urto-iruito liita os danos aos abos se a falta for no abo, e/ou liita a quantidade de alor transferida dos ondutores etálios para os ateriais de isolação e outros ateriais. O usto elevado dos abos de transissão de energia justifia a ipleentação de esqueas de teleproteção ( ouniations-assisted shees ). De fora geral, os esqueas para proteção de linhas aéreas e proteção de abos subterrâneos são os esos. Entretanto, deveos analisar e entender as diferenças entre as duas apliações para proteger adequadaente os abos de potênia. Os três esqueas piloto básios para proteção de abos através de relés são: Diferenial de Corrente, Coparação de Fases e Coparação Direional. Diferenial de Corrente O esquea de proteção diferenial de orrente pode onsistir de três eleentos de fase segregada o restrição diferenial ou u eleento o restrição diferenial que obine as inforações das três fases. Esses eleentos difereniais usa as grandezas de operação e restrição obtidas das orrentes loais e da extreidade reota. A grandeza de operação é a agnitude da soa vetorial dessas orrentes. A grandeza de restrição é noralente a soa esalar das esas orrentes. O relé diferenial de orrente usa as grandezas de operação e restrição para forar a araterístia do tipo restrição. A araterístia do relé define a região para faltas internas. Se os valores das grandezas de operação e restrição estivere dentro da região de faltas internas, o relé delara ua ondição de trip. O esquea diferenial é usado freqüenteente para proteção de abos pois é u esquea enos dependente das araterístias do abo. A seguir, são apresentadas as prinipais araterístias do esquea diferenial de orrente: a. O esquea não fornee proteção de bakup. b. A disponibilidade do esquea depende da perforane do anal de ouniação.. O esquea soente requer sinais de orrente. d. O esquea neessita de u anal de ouniação o faixa de banda adequada para transitir e reeber as inforações de orrente. e. O esquea requer pouos ajustes; os ajustes deve onsiderar o efeito das orrentes de arregaento da linha. f. O esquea de fase segregada te obertura liitada para resistênia de falta. g. O esquea é iune às ondições de perda de sinroniso e reversão de orrente. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.3

4 h. O esquea requer ua lógia espeial de segurança para ondições de faltas externas o saturação do transforador de orrente (TC). Coparação de Fases Este esquea opara o ângulo de fase entre as orrentes de abas as extreidades do abo. O étodo de oparação de fase usa u sinal obinado que fornee as inforações para todos os tipos de falta. Neste esquea, o sinal oposto é subetido a u aplifiador de onda quadrada para obter u sinal de onda quadrada que ontenha as inforações do ângulo de fase. O relé opara o sinal de onda quadrada loal o os sinais de onda quadrada reotos; se a oinidênia dos dois sinais for aior do que u erto valor, por exeplo, 90º, o esquea delara ua ondição de falta interna. Este esquea foi uito popular no passado pois ele te ínios requisitos para o anal de ouniação. Ua vez que os sinais de orrente ontê as inforações do ângulo de fase, este esquea é ais seguro do que o esquea diferenial de orrente para ondições de falta externa o saturação do TC. Todas as outras araterístias são as esas que as do esquea diferenial de orrente. Coparação Direional Os esqueas de oparação direional usa diferentes tipos de unidades de edição (eleentos direionais, eleentos de distânia) e ada extreidade do abo. Essas unidades de edição deterina a direção da falta. Este esquea opara as inforações da direção da falta de ada extreidade do abo para deterinar se existe ua falta no abo. Freqüenteente, estes esqueas usa eleentos de distânia nas apliações dos abos de transissão de energia. Este étodo deve onsiderar os seguintes fatos: a. A ipedânia dos abos de potênia é enor do que a ipedânia de linhas aéreas pois o espaçaento dos ondutores de fase nos abos é enor do que o espaçaento nas linhas aéreas. E alguns asos, a ipedânia pode ser enor do que o valor ínio de ajuste do relé de distânia. b. O ângulo de ipedânia de seqüênia-zero dos abos é enor do que o ângulo de ipedânia de seqüênia-zero das linhas aéreas. A opensação do ângulo de seqüênia-zero requer ua faixa de ajuste abrangente que aoode todos os ângulos possíveis do abo. Os eleentos direionais que opera o as grandezas das oponentes de seqüênia fornee ua outra possibilidade para a ipleentação do esquea de oparação direional. Posteriorente, neste paper, vaos analisar a apliação do eleento direional de seqüênia-negativa para proteção de abos de transissão de energia. A seguir, são apresentadas as araterístias prinipais do esquea de oparação direional: a. As unidades de edição fornee proteção prinipal e de bakup. b. A perda do anal de ouniação soente desabilita as funções de oparação direional, as não desabilita as funções da proteção direional de bakup loal e reoto.. O esquea requer sinais de tensão e orrente de abas as extreidades da linha. d. Os esqueas de Transferênia de Trip o Sobrealane Perissivo ( Perissive Overreahing Transfer Trip POTT) opera noralente através dos anais de ouniação o Chaveaento por Desvio de Freqüênia ( Frequeny Shift Keying FSK). Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.4

5 e. No aso dos abos do tipo tubular ( pipe ) ou abos o onduíte agnétio, a ipedânia de seqüênia-zero não é onstante e depende da orrente irulante através do abo. f. A orrente de arregaento deve ser onsiderada quando estiver efetuando os ajustes dos eleentos de fase para evitar a operação inorreta do relé. g. Os eleentos direionais o oponentes de seqüênia-negativa propiia exelente obertura para resistênia de falta [3]. Esses eleentos não preisa ser dessensibilizados para os efeitos da orrente de arregaento. CARACTERÍSTICAS DOS CABOS As araterístias dos abos são u fator iportante na avaliação dos esqueas de proteção para as apliações dos abos de transissão de energia. Adiionalente, preisaos alular as ipedânias indutivas de seqüênia-positiva, negativa e zero e aditânias da apaitânia para deterinar os ajustes do esquea [4, 5, 6]. Nas apliações de abos o três ondutores, podeos não onsiderar as assietrias do abo, poré teos de onsiderar essas assietrias se estiveros apliando eleentos direionais de seqüênia para proteger abos o u ondutor [7]. A seguir, vaos onentrar nossa atenção nos abos o u ondutor. Cabos o U Condutor Figura : Grupo de Três Cabos o U Condutor. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.5

6 A Figura ostra u grupo de três abos o u ondutor, u para ada fase. A queda de tensão devida à orrente irulante no ondutor é: V = I j I X Equação 1 s A queda de tensão no revestiento é zero o o revestiento aterrado: onde: = Ipedânia do ondutor (Ω) r s = Resistênia a do revestiento (Ω) 0 = ( r + j X ) I j I X Equação s s s X s = X = Reatânia própria do revestiento (Ω) Reatânia útua entre o ondutor e o revestiento (Ω) I s = Corrente no revestiento (A) I = Corrente no ondutor (A) A reatânia do revestiento, X s, e a reatânia útua, X, são iguais quando o ondutor é onêntrio dentro do revestiento. Resolva a Equação para I s, e substitua X por X s : I s + j I = Equação 3 r s X + j X A substituição de I s na Equação 1 resulta e: V I j j I X = X rs + j X Equação 4 A ipedânia do ondutor,, é igual a r + jx. A substituição da resistênia do ondutor, r, e a reatânia do ondutor, X, na Equação 4, resulta e: 3 rs X X V= r j X + + I rs X rs X + + V= [( r rsh ) + j ( X + X sh )] I Equação 5 + Equação 6 onde r sh na Equação 6 representa as perdas no revestiento ausadas pelas tensões induzidas pela orrente do ondutor no revestiento. Essas tensões gera orrentes no revestiento que eleva a resistênia do ondutor. X sh na Equação 6 representa a orreção da reatânia devido à presença das orrentes no revestiento. Ela te u sinal negativo pois a direção da orrente no revestiento está e oposição à direção da orrente no ondutor. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.6

7 Coponentes da Resistênia Considerando a Equação 5, a resistênia a de u ondutor siples e u grupo de três ondutores é: s s A reatânia útua, X, para u ondutor siples é [8]: r X r = r + Equação 7 r + X X GMD = 0,00893 f log Ω / fase k Equação 8 r + r / onde: f = Freqüênia do sistea (Hz) GMD = Distânia Média Geoétria ( Geoetri Mean Distane ) () r o = Raio externo do revestiento () r i = Raio interno do revestiento () A resistênia do revestiento é [6]: o i r s = k Equação 9 ( r + r ) ( r r ) o i o i onde: k = Função (aterial do revestiento) As araterístias ais iportantes dos oponentes da resistênia são: a. A resistênia do abo é aior do que a resistênia própria do ondutor. b. A resistênia do abo depende da GMD.. A resistênia do abo depende do aterial e da geoetria do revestiento. d. Se o revestiento tiver ua junção elétria sólida ( bonded ), oo na Opção da Figura 3 [9], sua resistênia pode ser 50 90% da resistênia do ondutor. A isolação do revestiento e u ou dois pontos reduz a resistênia, poré gera tensões elevadas no revestiento que pode auentar a eletrólise ou propiiar ondições perigosas. O étodo bonding de blindage do abo está tabé relaionado a apaidade de ondução de orrente do abo. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.7

8 Coponentes da Reatânia Figura 3: Método Bonding de Blindage do Cabo. Considerando a Equação 5, a reatânia de u ondutor siples e u grupo de três ondutores é: 3 X = X rs + X X = X + X sh Equação 10 A reatânia do ondutor, X, para u ondutor siples é [8]: onde: X GMD = 0,00893 f log Ω / fase k Equação 11 GMR / GMR ond = Raio Médio Geoétrio ( Geoetri Mean Radius ) () As araterístias ais iportantes dos oponentes da reatânia são: a. A reatânia do abo, X, é enor do que a reatânia do ondutor siples, X, devido ao aoplaento útuo do revestiento. ond b. Quanto ais próxios estivere os ondutores de fase u do outro, enor será a reatânia do ondutor, X.. A redução da reatânia do abo, X sh, depende da reatânia útua, X, que é ua função de GMD. X sh tabé depende da resistênia do revestiento, r s, que é ua função do aterial e da geoetria do revestiento. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.8

9 d. Se o revestiento for isolado, oo na Opção da Figura 3, ou desontínuo, oo na Opção da esa figura, as orrentes no revestiento são desprezíveis. Nesses asos X = X pois r sh te u valor elevado. Ipedânia de Seqüênia-ero Os revestientos dos abos noralente tê onexões à terra e diversos pontos. A fora o que os revestientos estão onetados e a resistênia das onexões deterina a ipedânia do ainho de seqüênia-zero. A Figura 4 ostra u iruito equivalente do ainho de seqüênia-zero. Figura 4: Correntes de Retorno de Seqüênia-ero e Ciruito Equivalente. Vaos deterinar a ipedânia de seqüênia-zero, 0, para as três possibilidades de retorno da orrente de seqüênia-zero: 1. Retorno da orrente soente pelo revestiento; I 0s : s 0 = Equação s 0. Retorno da orrente soente pela terra; I 0g : = Equação = 0 = Equação Retorno da orrente pelo revestiento e pela terra e paralelo; I 0s e I 0g : onde: ( ) 0s = Equação 15 0s = Equação 16 0s 0 = 0s = 0 = Ipedânia de seqüênia-zero do ondutor (Ω) Ipedânia de seqüênia-zero do revestiento (Ω) Ipedânia útua de seqüênia-zero (Ω) Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.9

10 As araterístias ais iportantes da ipedânia de seqüênia-zero são: a. A ipedânia depende do étodo bonding e do aterraento do revestiento do abo. b. Seu ângulo pode variar de ângulos pequenos (orrente de retorno soente pelo revestiento) até ângulos o valores próxios ao ângulo do abo 0 (orrente de retorno soente pela terra).. A presença de ainhos paralelos (abos, ondutores de terra) e a resistividade de terra deve ser onsideradas na deterinação da ipedânia de seqüênia-zero. d. No aso dos dutos agnétios, a ipedânia de seqüênia-zero varia o a orrente de seqüênia-zero. Baseando-se nas araterístias relaionadas aia, as grandezas de seqüênia-zero não são apropriadas para proteção de abos. De fora siilar, esse eso raioínio ostra a difiuldade na apliação da proteção de distânia de terra para os abos. Reatânia Capaitiva Shunt A apaitânia, C, entre u ondutor isolado dentro de u revestiento onêntrio e o próprio revestiento é [4]: onde: 0,0417 ε R C = µ F / k Equação 17 rdo log r ε R = peritividade relativa do aterial de isolação di r do = Raio interno do revestiento ou raio externo da isolação, se estiver sendo usada fita para blindage () r di = Raio do ondutor () Se o revestiento for aterrado, a Equação 17 fornee a apaitânia à terra. Figura 5: Capaitânia de Condutores Blindados. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.10

11 As apaitânias shunt de seqüênia-positiva, negativa e zero para ondutores siples o revestientos etálios são todas iguais. Isto tabé é válido para abos o três ondutores blindados, que possue ondutores redondos e sua própria aada de blindage. A Figura 5 ostra as seções transversais de u abo u ondutor e u abo o três ondutores. Cabos o três ondutores envolvidos por ua inta, se blindage do ondutor, tê apaitânia de seqüênia-zero enor do que as apaitânias de seqüênia positiva e negativa. As araterístias ais iportantes da reatânia apaitiva shunt são: a. Para u ondutor siples o revestiento etálio, as apaitânias de seqüênia positiva, negativa e zero são as esas que a apaitânia de u dos ondutores e relação a seu revestiento (C 1 = C = C 0 ). b. A apaitânia do abo depende prinipalente da geoetria do ondutor siples.. Não há relação entre S (distânia entre os ondutores siples) e a apaitânia shunt do abo. d. À edida que a resistênia dielétria da isolação auenta (proesso ou aterial novo), a apaitânia do abo auenta enquanto a espessura requerida para isolação diinui. e. As reatânias da apaitânia shunt de seqüênia-zero, x 0, seqüênia-positiva, x 1, e seqüênianegativa, x, são iguais a, e respetivaente. C 0, C 1 e C são as ϖ C0 ϖ C1 ϖ C apaitânias de seqüênia-zero, positiva e negativa por opriento da unidade. A Equação 18 onverte apaitânia-por-quilôetro e reatânia ohs-por-fase total, onde l é o opriento e quilôetros. X C 01 = X C01 l 1 = l π f C 01 Equação 18 Cabo Subarino Os abos subarinos estão loalizados a ua profundidade onsiderável e relação ao nível da superfíie; onseqüenteente, o ainho da orrente de retorno oorre não soente pelo revestiento e pela terra, as tabé pela água do ar. A distribuição da orrente entre os ainhos varia inversaente às resistividades dos ainhos. Ua vez que a resistividade da água do ar varia de 0,01 a 0,00005 vezes a resistividade da terra, pratiaente toda a orrente de retorno irula pela água do ar. Por este otivo, teos tabé que onsiderar a resistividade da água do ar ao efetuar o álulo da ipedânia de seqüênia-zero do abo. Parâetros do Cabo entre Playa del Caren Chankanaab O abo de transissão de energia de nossa apliação oneta a Subestação Playa del Caren (PCA) loalizada na Península de Yuatan, ontinente, o a Subestação Chankanaab II (CHS), loalizada na Ilha de Cozuel. A onexão é efetuada através de dois iruitos de 34,5 kv (CI1, CI). Cada iruito onsiste de três ondutores onofásios, e ada iruito te três seções. A Tabela 1 relaiona o opriento e o tipo de ada seção. O Apêndie 1 inlui a onfiguração e a geoetria do abo. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.11

12 Tabela 1: Seções dos Ciruitos Seção De Para Copriento () Tipo 1 Subestação Playa del Caren (PCA) Costa de Playa del Caren 3 Costa da Ilha de Cozuel Costa de Playa del Caren Costa da Ilha de Cozuel Subestação Chankanaab II (CHS) Subterrâneo Subarino 500 Subterrâneo Calule as ipedânias de seqüênia do abo efetuando os seguintes passos: a. Obtenha as atrizes de aditânia e ipedânia do abo para ada seção do abo. b. Obtenha os iruitos PI (π) equivalentes por fase.. Calule os diagraas da onstante ABCD por fase para ada seção do abo [6]. d. Obtenha o equivalente série das três seções. e. Obtenha o iruito equivalente PI (π) das três seções. f. Calule a ipedânia e aditânia de seqüênia das atrizes de ipedânia e aditânia de fase, ABC e Y ABC. A Equação 19 e a Equação 0 transfora as atrizes de fase e atrizes de seqüênia. onde: = T 1 01 T Equação 19 ABC Y = T 1 01 Y T Equação 0 ABC T = Transforação das Coponentes Siétrias [5]. A Tabela ostra as aditânias e ipedânias de seqüênia totais do abo que inlue as três seções do abo. Tabela : Aditânias e Ipedânias de Seqüênia Equivalentes do Cabo Seqüênia Ipedânia (Ω) Aditânia (S) ero 0 = 13,39 4º Y 0 = 0, ,9º Positiva 1 = 10,56 54º Y 1 = 0, ,9º Negativa = 10,56 54º Y = 0, ,9º Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.1

13 ELEMENTO DIRECIONAL DE SEQÜÊNCIA-NEGATIVA Medição da Ipedânia de Seqüênia-Negativa para Faltas à Frente e Reversa Podeos edir a ipedânia de seqüênia-negativa do sistea usando a orrente e tensão de seqüênianegativa, I e V, na loalização do relé para u sistea deterinado. Vaos denoinar essa ipedânia de Medida. A Figura 6 ostra u sistea o duas fontes e u diagraa de seqüênianegativa para faltas à terra. Figura 6: Medição da Ipedânia de Seqüênia-Negativa para Faltas à Frente e Reversa. A Tabela 3 ostra a edição da ipedânia de seqüênia-negativa para faltas fase-terra na direção nas direções à frente e reversa. Tabela 3: Medição da Ipedânia de Seqüênia-Negativa para Faltas à Frente e Reversa Condição V I Medida Falta Fase-Terra à Frente -I S. S I S - S onde: Falta Fase-Terra Reversa -I R. ( R + L ) -I R R + L S = R = L = Ipedânia de seqüênia-negativa da fonte e S (Ω) Ipedânia de seqüênia-negativa da fonte e R (Ω) Ipedânia de seqüênia-negativa da linha (Ω) Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.13

14 Shweitzer e Roberts [10] desreve o eleento direional de seqüênia-negativa que ede a ipedânia de seqüênia-negativa,, e opara o resultado o os valores liites de faltas à frente e reversa para efetuar ua delaração da direção da falta. O eleento direional usa a Equação 1 para a edição de. onde: * [ V ( I θ ) ] Re = Equação 1 1 I Medida = Ipedânia de seqüênia-negativa edida (Ω) θ = Ângulo da ipedânia de seqüênia-negativa da linha (graus) O eleento direional de seqüênia-negativa delara ua ondição de falta na direção à frente se Medida for enor do que o valor liite da ipedânia à frente, F. O eleento delara ua ondição de falta na direção reversa se Medida for aior do que o valor liite da ipedânia reversa, R. F te de ser enor do que R para evitar qualquer sobreposição entre as regiões de falta à frente e reversa. Medida = - S para faltas à frente e Medida = L + R para faltas reversas. A diferença nas edições das ipedânias para faltas na direção à frente e reversa é: S + L + R. Preisaos ajustar os liites F e R entre as edições de para as direções à frente e reversa. Se onsideraros fontes infinitas, L é a diferença nas edições das ipedânias entre as faltas à frente e reversa. Figura 7: Eleentos Direionais de Seqüênia-Negativa, 67, e Abas as Extreidades do Cabo para Proteção de Faltas Desequilibradas. Podeos ipleentar u esquea de oparação direional para detetar faltas desequilibradas no abo através desses eleentos direionais e abas as extreidades do abo. A Figura 7 ostra esses eleentos direionais, 67 S e 67 R, e u esquea de Transferênia de Trip o Sobrealane Perissivo (POTT) ipleentado usando o sistea de ouniação entre relés [11]. A Tabela 4 ostra a edição da ipedânia de seqüênia-negativa de abos os eleentos direionais para faltas fase-terra. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.14

15 Tabela 4: Medições da Ipedânia de Seqüênia-Negativa e Abas as Extreidades do Cabo Loalização da Falta Fase-Terra Medição e S Medição e R S L + R - R na linha - S - R R - S L + S As diferenças nas edições das ipedânias entre faltas na direção à frente e reversa e abas as extreidades do abo são: Eleento Direional e S: Eleento Direional e R: ( ) = + = + Equação L + R S S L R ( ) = + = + Equação 3 L + S R R L S Nós ajustaos F = L / e R = F + 0,1, e abas as extreidades do abo; o esses ajustes, os eleentos direionais efetua a delaração orreta da direção da falta se que haja sobreposição das regiões das faltas à frente e reversa. Figura 8: Eleento Direional de Seqüênia-Negativa o Valores Liites de Faltas à Frente e Reversa para Delaração da Direção da Falta [1]. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.15

16 LUGAR GEOMÉTRICO DA IMPEDÂNCIA NAS APLICAÇÕES DOS CABOS Lugar Geoétrio da Ipedânia de Seqüênia-Negativa Considerando a Aditânia do Cabo O odelo da linha na seção anterior inluiu soente a ipedânia série da linha, L. Esse odelo é apropriado para apliações e linhas aéreas onde a aditânia da linha é desprezível devido ao seu valor relativo ser pequeno quando oparado o a ipedânia série da linha. Esse odelo não é válido para apliações e abos devido aos seguintes fatos: a. À edida que os ondutores das fases fia ais próxios u do outro, a ipedânia série da linha fia enor. b. À edida que a distânia entre o ondutor da fase e o revestiento diinui, a apaitânia do abo auenta. À edida que a apaitânia auenta, a reatânia apaitiva shunt diinui.. A ipedânia série é proporional ao opriento do abo; a reatânia da apaitânia shunt é inversaente proporional ao opriento do abo. Vaos analisar o efeito da adição da aditânia do abo ao odelo do abo na edição de do eleento direional. A Figura 9 ostra u diagraa de seqüênia-negativa para u sistea o duas fontes o ua interonexão através de u abo. O odelo do abo inlui a aditânia apaitiva shunt e abas as extreidades do abo. Figura 9: Sistea o Duas Fontes e o Interonexão via Cabo. O Diagraa de Seqüênia- Negativa Inlui a Aditânia do Cabo. Para ua falta à frente, V = -I S S e I = I S, então: I = = Equação 4 S S " ÀFrente" Medida S I S Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.16

17 Para ua falta reversa Reversa Medida é expressa e teros dos eleentos do diagraa, onfore ostrado a seguir: Re versamedida 4 + Y + 4 L L L R R = Equação YL R + YL L + YL L R onde: Y L = Aditânia de seqüênia-negativa do abo (S) A Figura 10 ostra o lugar geoétrio da ipedânia de seqüênia-negativa no plano da ipedânia de seqüênia-negativa para ua falta reversa, para diferentes valores de Y L, enquanto todas as outras ipedânias são onstantes. Quando a ipedânia é zero, a edição de oorre no ponto B; este ponto orresponde ao aso do odelo siplifiado da ipedânia série. À edida que a aditânia auenta, o ponto de edição ove-se ais para ia, à direita, e a distânia e relação à orige auenta. Tereos u ponto entre B e C para diferentes tipos de abos. Figura 10: Lugar Geoétrio da Ipedânia de Seqüênia-Negativa para Falta à Frente e Reversa nas Apliações de Cabos. Para ua apliação adequada do eleento direional de seqüênia-negativa, as regiões das faltas à frente e reversa não deve se sobrepor. LUGAR GEOMÉTRICO DE NAS APLICAÇÕES DE CABOS SUBMARINOS A Figura 11 ostra o lugar geoétrio da ipedânia de seqüênia-negativa para u abo subarino que te as esas araterístias e onfiguração daquele da Seção de nossa apliação. A figura ostra dois gráfios para as faltas fase-terra reversas: u deles orresponde ao lugar geoétrio da ipedânia se onsiderar a apaitânia do abo no odelo da linha; o outro onsidera a apaitânia do abo. Cada ponto do gráfio orresponde a oprientos diferentes do abo, 1,, 4, 8, 16, 3, 64 e 18 k. Nós oeçaos observando o efeito da apaitânia do abo no lugar geoétrio da Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.17

18 ipedânia para distânias de 3 k e aiores. O ângulo da ipedânia de seqüênia-negativa varia de 78º a 39º. O prieiro ângulo orresponde a 1 k e o segundo a 18 k. Figura 11: Lugar Geoétrio da Ipedânia de Seqüênia-Negativa para Faltas Reversas e Apliações de Cabos Subarinos. CONCLUSÕES 1. A ipedânia de seqüênia-zero do abo depende dos ainhos de retorno da orrente, enquanto a ipedânia de seqüênia-negativa não depende. Por esse otivo, as grandezas de seqüênianegativa são ais apropriadas do que as grandezas de seqüênia-zero para proteção de abos.. Os eleentos direionais de seqüênia-negativa, o a ajuda das ouniações, propiia ua proteção de abos sensível e onfiável ontra faltas desequilibradas. 3. A aditânia de seqüênia-negativa do abo altera a edição de para faltas reversas. Essa aditânia te de ser inluída no odelo do abo para deterinar orretaente o ajuste do eleento direional de seqüênia-negativa do relé. 4. A edição da ipedânia de seqüênia-negativa define as regiões à frente e reversa no plano da ipedânia de seqüênia-negativa de fora que elas não se sobrepõe. 5. Os eleentos de distânia requere faixas de ajuste espeiais para opensar orretaente a ipedânia de seqüênia-zero do abo. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.18

19 REFERÊNCIAS [1] IEEE Standards Board, IEEE Reoended Pratie for Protetion and Coordination of Industrial and Coerial Power Systes, the Institute of Eletri and Eletronis Engineers, In., [] Working Group D1 of the Line Protetion Suboittee, PSRC, Protetive Relaying Considerations for Transission Lines with High Voltage AC Cables, IEEE Transations on Power Delivery, Vol. 1, Nº 1, janeiro de [3] Roberts, J., Shweitzer, E. O. III, Arora, R., e Poggi, E., Liits of the Sensitivity of Ground Diretional and Distane Protetion, 50 th Annual Georgia Teh Protetive Relaying Conferene, Atlanta, GA, aio de [4] E. Clarke, Ciruit Analysis of A-C Power Systes Volue II, General Eletri Copany, [5] C. F. Wagner e R. D. Evans, Syetrial Coponents, MGraw-Hill Book Copany, In., [6] Central Station Engineers, Eletrial Transission and Distribution Referene Book, 4º Edição, Westinghouse Eletri Corporation, [7] J. Roberts e A. Guzán, Diretional Eleent Design and Evaluation, 1 st Annual Western Protetive Relay Conferene, Spokane, WA, outubro de [8] J. Lewis Blakburn, Syetrial Coponents for Power Systes Engineering, Marel Dekker In., [9] Suitoo Eletri Industries, LTD, Developent of Optial Fibers Inorporated Single-Core Subarine Power Cable, Suitoo Eletrial Review, [10] E. O. Shweitzer III e J. Roberts, Distane Relay Eleent Design, 19 th Annual Western Protetive Relay Conferene, Spokane, WA, outubro de 199. [11] Behrendt, K. C. Relay-to-Relay Digital Logi Couniation for Line Protetion, Monitoring, and Control, 3 rd Annual Western Protetive Relay Conferene, Spokane, WA, outubro de [1] Arando Guzán, J. Roberts e D. Hou, New Ground Diretional Eleents Operate Reliably for Changing Syste Conditions, 3 rd Annual Western Protetive Relay Conferene, Spokane, WA, outubro de Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.19

20 BIOGRAFIAS Jesús Vargas reebeu seu BSEE o louvor da Guadalajara Autonoous University (UAG), Méxio, e Ele trabalhou oo engenheiro de proteção de relés de 1986 a 1996 na Federal Eletriity Coission, dediando-se prinipalente à análise de faltas, avaliação de novas tenologias e oissionaentos. E 1996, integrou a equipe da INELAP oo diretor da divisão de sisteas de relés de proteção. A INELAP fornee os serviços de projeto, onsultoria e apoio e sisteas de proteção, ontrole, autoação e integração para onessionárias de energia elétria e indústrias. Ele te efetuado onferênias na UAG sobre proteção de sisteas de potênia. É ebro do IEEE e foi o representante ofiial do IEEE, seção Guadalajara, Jal., Méxio. Arando Gusán reebeu seu BSEE o louvor da Guadalajara Autonoous University (UAG), Méxio, e Ele reebeu u diploa e engenharia de fibra óptia do Monterrey Institute of Tehnology and Advaned Studies (ITESM), Méxio, e Trabalhou oo supervisor regional do Departaento de Proteção na Região de Transissão Oeste da Federal Eletriity Coission (a epresa onessionária de energia elétria do Méxio) por 13 anos. Realizou onferênias na UAG sobre proteção de sistea de potênia. Desde 1993, ele integra a equipe da Shweitzer Engineering Laboratories, e Pullan, Washington, onde atualente é u engenheiro de pesquisas. É ebro do IEEE e é autor e oautor de diversos papers ténios. Jorge Robles reebeu seu BSEE do National Polytehni Institute (IPN), Méxio, e Ele oeçou a trabalhar na Federal Eletriity Coission e 1978 oo engenheiro de sisteas de relés de proteção. Desde 1988, ele responde pelo Órgão Responsável pelas Subestações da Distribuição, que uida dos sisteas de proteção das redes de subtransissão e distribuição naionais. Ele é ebro do IEEE e ebro do suboitê de sisteas de proteção da seção do IEEE do Méxio, e é autor e o-autor de papers ténios. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.0

21 APÊNDICE 1: CONFIGURAÇÃO E GEOMETRIA DOS CABOS Seções 1 e 3 do Cabo Tensão do Cabo Subterrâneo: 34,5 kv Isolação: XLPE Material do Condutor: Cobre Cu Área do Condutor: 400 Copriento da Seção 1: Copriento da Seção 3: 500 Capaidade e Aperes: 566 A Tabela 5: Geoetria do Cabo e Caraterístias do Material das Seções 1 e 3 Seção Material Espessura () Resistividade (Ω. ) Pereabilidade µ R Peritividade R 1. Condutor Cobre 3,5 1,7 x Isolador 1 XLPE 10,5-1,35 3. Revestiento Cobre 0, 1,7 x Isolador PVC 4-1 4,55 r = 11,75 1 = 10,5 r i1 = = 0, r i =, 3 = 4 r 0 = 6, Figura 1: Configuração e Geoetria das Seções 1 e 3 do Cabo. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.1

22 Seção do Cabo Tensão do Cabo Subarino: 34,5 kv Isolação: XLPE Copriento: Material do Condutor: Cobre Cu Área do Condutor: 300 Revestiento: Chubo Capaidade e Aperes: 500 A Tabela 6: Geoetria do Cabo e Caraterístias do Material da Seção Seção Material Espessura () Resistividade (Ω. ) Pereabilidade µ R Peritividade R 1. Condutor Cobre 1,6 1,7 x Isolador 1 XLPE 9,56-1,35 3. Revestiento Chubo,0 0 x Isolador Polietileno 9,1-1,35 5. Aração Aço 10,6 9,70 x Isolador 3 PVC 3,6-1 4,55 Figura 13: Configuração e Geoetria da Seção do Cabo. Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.

23 r = 10,8 1 = 9,56 r i1 = 0,36 =,0 r i =,56 3 = 9,1 r i3 = 31,66 4 = 10,6 r i4 = 41,9 5 = 3,6 r 0 = 45,5 Copyright 1999 (Todos os direitos reservados) Av João Erbolato, 307 Capinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág.3