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1 GSC/ a 26 de Outubro de 2001 Campinas - São Paulo - Brasil GRUPO X ESTUDO DE SOBRETENSÕES E COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO O IMPACTO DOS ESTUDOS TRANSITÓRIOS ELETROMAGNÉTICOS NA ESPECIFICAÇÃO E NA VERIFICAÇÃO DA SUPERAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS DAS SUBESTAÇÕES ELEVADORA E SECIONADORA ASSOCIADAS À USINA HIDROELÉTRICA - TUCURUÍ Camilo Machado Jr. (*) Eber Hávila Rose ELETRONORTE Airton Violin Manuel Luís Barreira Martinez EFEI IEE DET LAT Carlos Alberto Moura Saraiva Consórcio THEMAG ENGEVIX RESUMO Existem vários tipos de Programas Digitais para o Cálculo de Curto-Circuito. Uma das principais aplicações desses programas é a definição das características básicas dos sistemas elétricos especificação dos equipamentos relacionadas com as solicitações térmicas e mecânicas, ou mesmo verificar se os equipamentos instalados estão aptos a suportar as solicitações relacionadas com a expansão dos sistemas. Este artigo é baseado nos resultados de uma série de estudos, incluindo simulações de curto circuito utilizando o Programa ATP, realizados para definir as especificações básicas dos equipamentos da UHE Tucuruí Segunda Etapa. PALAVRAS CHAVE: Análise Transitória, Modelagem, Estudos de Transitórios e de Curto-circuito 1. INTRODUÇÃO Tucuruí é a maior usina hidroelétrica inteiramente nacional. Com a implantação de sua segunda etapa, ora em construção, haverá nesta UHE duas casas de força com suas respectivas subestações, totalizando uma potência de aproximadamente 9 GVA. O primeiro objetivo do presente estudo foi obter dados aptos a permitir a definição de um novo conjunto de especificações para os equipamentos. Após uma criteriosa análise foi decidido operar as duas subestações em paralelo. Deste modo, o nível de curto circuito superaria o limite de suportabilidade de 40 ka dos equipamentos da subestação da UHE Tucuruí Primeira Etapa, cujos valores eram os máximos à época. Portanto, é necessário prover meios para reduzir o nível de curto-circuito do sistema para um limite aceitável, usualmente, 90% da suportabilidade máxima dos equipamentos. A solução mais atrativa analisada é a utilização de um reator, com núcleo em ar, conectando os dois pátios das subestações em 550 kv. De modo a determinar as características básicas desses reatores foi realizada uma série de estudos em freqüência industrial. Dos resultados dos Estudos de Fluxo de Carga, em condições normais, de emergência e de Curto-circuito foi definida uma faixa adequada para a reatância destes reatores entre 17 e 27 Ω por fase. Logo após esses estudos, foram direcionadas várias consultas aos fabricantes de reatores e, baseadas nas respostas obtidas, foram determinadas as principais características mecânicas e os requisitos de instalação necessários. Existem restrições físicas para a construção dos reatores, atribuídas às condições de instalação, e elétricas, devido aos níveis de curto-circuito e sobrecargas em linhas de transmissão. Além disso, a eficiência da aplicação de reatores no controle do nível de curto-circuito é limitada a uma pequena SCN Q. 06 Cj A Bl. B sala 1007 Ed. Venâncio 3000 Brasília, DF. TEL: (0xx61) , FAX: , camilo@eln.gov.br

2 2 Figura 1- Configuração 2010 Sistema de Transmissão Tucuruí faixa de valores. A partir de um certo valor de reatância não existe nenhum benefício técnico e, no caso particular do sistema de Tucuruí, a partir de 27 Ohms ocorre uma série de problemas relativos a sobrecargas em linhas de transmissão. É claro que essa é uma condição particular, no entanto, em maior ou menor escala pode se apresentar como uma tendência geral. Este trabalho comenta o impacto dos estudos de curto-circuito na definição dos principais parâmetros do reator limitador e também nos níveis de corrente injetadas na terra, que por sua vez são utilizados na definição dos parâmetros do sistema de aterramento. Como esperado, os níveis de curto-circuito obtidos com o Programa ATP são inferiores aos obtidos através da metodologia padrão. No entanto, é interessante notar que a soma aritmética de todas as contribuições para a falta é praticamente o valor obtido nos estudos tradicionais. Portanto, isso reforça a necessidade de se considerar o ângulo de fase da tensão antes da aplicação da falta no cálculo dos níveis de curto-circuito. Finalmente, foi observado que o maior valor de corrente injetado no sistema de aterramento não é o associado com faltas fase terra. 2. O SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE TUCURUÍ A Figura 1 mostra um diagrama unifilar simplificado do Sistema de Transmissão associado à UHE Tucuruí. Nesse diagrama são mostradas todas as principais interligações operando no ano Foram estudadas 3 configurações básicas. A primeira é relativa à etapa inicial de operação da Segunda Casa de Força da UHE Tucuruí A segunda mostra uma etapa intermediária 2007 e finalmente uma condição de carga pesada relativa ao ano Os estudos de fluxo de carga realizados para estabelecer as condições iniciais dos estudos de transitórios consideraram o sistema completo, ou seja, as interligações Norte Nordeste e Norte Sul. No entanto, os estudos tradicionais de curto-circuito consideraram sistemas equivalentes conectados às subestações de Imperatriz 550 kv, Vila do Conde 550 kv, Marabá 242 kv e Altamira 242 kv. A Tabela 1 mostra os resultados dos estudos tradicionais de curto-circuito considerando o sistema operando sem o dispositivo para limitação da corrente de curtocircuito. Tabela 1 Resultados dos Estudos Tradicionais de Curto-circuito Máximo Nível de Curto-circuito, Sem o Dispositivo de Limitação de Corrente: X R =0; X DLCC =0 [ ka ] Ano I 3φ I 1φ I 2φ I 2φT ,96 28,68 20,75 27, ,06 36,86 26,90 35, ,90 41,50 30,22 39, ,05 49,64 36,42 47, ,26 50,76 37,46 48,39 A eficiência do dispositivo para limitação de curtocircuito, caracterizado pelo reator limitador, como mostra a Figura 2, é apresentada na Figura 3. Nesse caso, é possível observar que existe um limite para a eficiência do reator limitador. A partir do valor de reatância de 30 Ohms a redução do nível de curtocircuito não é significativa.

3 3 3KDVH WR *URXQG 6KRUW &LUFXLW /HYHO DW 7XFXUXt, 6WDWLRQ Figura 2 Sistema para Estudo de Curto-circuito e a Conexão do Dispositivo de Limitação de Corrente. Existem limites físicos para o valor de reatância. Esses limites podem ser atribuídos basicamente aos meios físicos para construção e instalação sendo também correlacionados às condições nominais e de sobrecarga e ao desempenho do sistema elétrico. Com respeito ao sistema de Tucuruí, não existem limites físicos para instalação exceto a razão Custo do Reator versus Eficiência na redução do nível de curto-circuito. No entanto, as condições operacionais normais e em emergência para os equipamentos e sistema necessitam ser analisadas. O limite inferior de reatância é definido pela suportabilidade frente a curtos-circuitos dos disjuntores instalados na UHE Tucuruí Primeira Etapa. Já o limite superior é associado às solicitações de sobrecarga nas linhas de transmissão. Dentro dessas condições, os limites teóricos para a reatância do dispositivo limitador de curto-circuito são 17 e 27 Ohms. Após a definição dos limites para a reatância do dispositivo limitador de corrente de curtocircuito é necessário definir os valores de corrente nominal e de sobrecarga, que são definidos por meio de estudos adequados de fluxo de carga. Essas duas correntes são responsáveis pelas dimensões físicas do reator e portanto, pelo seu custo. Logo, de modo a permitir uma tomada de decisão técnico-econômica é necessário submeter as pré especificações dos reatores aos fabricantes ou especialistas, de maneira a se obter uma avaliação preliminar do binômio Dimensão Custo. 5HDFWDQFH 9DOXH >2KPV@ Figura 3 Eficiência do Reator Limitador de Curtocircuito A Tabela 2 mostra as dimensões físicas do reator limitador segundo avaliação prévia da Eletronorte. Tabela 2 Dimensões Básicas dos Reatores Limitadores de Curto-circuito -Monofásicos Dimensões Básicas dos Reatores Limitadores de Curto-circuito -Monofásicos Reatância [Ω] Altura [mm] Diâmetro [mm] Peso [kg] I N [A] RESULTADOS DOS ESTUDOS DE TRANSITÓRIOS Durante os estudos para definir as especificações dos equipamentos da UHE Tucuruí - Segunda Etapa foi realizada uma série de simulações com o auxílio do Programa ATP. O sistema de transmissão foi modelado considerando as linhas, reatores, transformadores e outros equipamentos existentes, conforme mostrado na Figura 2. A principal observação obtida das primeiras etapas dos estudos é a relacionada com a utilização dos equivalentes para os subsistemas. Uma vez que os novos computadores são rápidos e eficientes é possível simular o desempenho completo do Sistema de Tucuruí, ou seja, do sistema de transmissão entre Tucuruí, Vila do Conde 242 kv, Altamira 242 kv e Imperatriz 550 kv.

4 Tabela 3 Equivalentes de Curto-circuito Base 100MVA 550kV [%] Equivalentes [kv] R 1 X 1 R 0 X 0 TUC I OESTE PARÁ 18, ,035 20, ,189 VDC 550/242 0,336 8,762 0,189 9,452 MAR 550/242 0,52 3,730 0,056 3,198 IMP 550 0,038 0,649 0,110 0,650 4 A extensão do tempo de simulação implica resolver esse problema. Isto implica utilizar-se um equivalente de sistema em 242 kv modificado. A solução adotada trabalha com um equivalente em coordenadas de fase que é obtida a partir de estudos de fluxo de potência, da configuração do sistema e do perfil de carga. O resultado da utilização desse tipo de equivalente é mostrado na Figura 5. 4 *10^ *10^ (file Tucct1f.pl4; x-var t) v:vc50-a v:vc50-b v:vc50-c Figura 4 Resultado Padrão em Vila do Conde 550 kv Tensão nas Fases para um Curto Fase Terra Os estudos para a determinação dos perfis de TRT normalmente assumem que o sistema se encontra sob falta no instante anterior ao início da simulação e que os disjuntores atuam instantaneamente e que a processo de extinção ocorre no primeiro zero natural da corrente. Portanto, nesses casos o tempo de simulação raramente ultrapassa 150 ms. No entanto, os novos computadores permitem simular um ciclo completo da proteção dos sistemas, ou seja, considerar os tempos dos relés, para a transferência de trip, dos disjuntores, do sistema de falha de disjuntores entre outros. Esse fato determina toda a diferença, pois o tempo de simulação pode facilmente atingir 500 a 600 ms. A Figura 4 mostra o perfil de tensão em Vila do Conde 550 kv após a ocorrência de uma falta monofásica. Como é possível observar, após um tempo de simulação entre 100 e 150 ms as tensões nas fases sãs apresentam um incremento. Após algumas considerações iniciais, esse fenômeno foi associado aos equivalentes de sistema no nível de 242 kv, que conforme mostra a Tabela 3 possuem elevado valor como no caso para Marabá, Vila do Conde e Altamira. Durante as primeiras etapas das simulações todos os equivalentes para os subsistemas foram modelados por meio de impedâncias de sistemas mutuamente acopladas e resultados similares foram obtidos para todas as faltas envolvendo a terra (file F1fr0.pl4; x-var t) v:vc50-a v:vc50-b v:vc50-c Figura 5 Tensões nas Fases em Vila do Conde 550 kv para Faltas Monofásicas Equivalentes de Fase Portanto, como proposto, o modelo para estudos de transitórios é verificado por meio de estudos de fluxo de carga e de curto-circuito. Para os geradores de Tucuruí foi adotado um modelo simplificado composto por fonte com tensão constante e reatância subtransitória. A tensão atrás da reatância do modelo foi calculada segundo procedimentos tradicionais [1], ou seja, com o auxílio da reatância do eixo em quadratura X q. No entanto, nos estudos de curtocircuito foi utilizada a reatância de eixo direto X d. É claro que é possível adotar um melhor modelo para os geradores. No entanto, como a maioria das simulações trabalha com constantes de tempo para as impedâncias dos geradores da ordem de 100 ms, ou seja, um período de que provavelmente implica atuação da proteção de retaguarda isso resulta basicamente em esforços extras de computação. Além disso, é necessário considerar que reatâncias subtransitórias são as menores e isso resulta nos maiores níveis de curto-circuito o que implica maiores esforços possíveis aos disjuntores instalados na subestação de Tucuruí Primeira Etapa. Tabela 4 Resultados dos Níveis de Curto-circuito

5 Correntes de Curto-circuito [ka] Nível de Curto-circuito em Tucuruí Ano 2010 Sem Limitação de Curto-circuito Tensão Pré Falta 1.10 p.u. Faltas Monofásicas Faltas Trifásica Contribuições Resultado Padrão Resultado ATP Resultado Padrão Resultado ATP Tucuruí Primeira Etapa I 23,86 22,37 18,56 19,05 Tucuruí Segunda Etapa II 15,84 17,42 13,24 14,47 Marabá I 1,67 1,75 1,88 1,98 Marabá II 1,97 2,12 2,31 2,40 Marabá III 1,97 2,12 2,31 2,40 Marabá IV 1,97 2,12 2,31 2,40 Vila do Conde I 0,50 0,55 0,51 0,51 Vila do Conde II 0,61 0,68 0,63 0,63 Oeste do Pará 0,86 0,92 0,66 0,75 Geradores Auxiliares 69 kv 0, , Soma das Contribuições 49,61 50,05 42,02 44,60 Nível de Falta Computado 49,61 46,32 42,02 39,32 A Tabela 4 mostra uma comparação entre os resultados de curto-circuito utilizando os métodos tradicionais e o ATP. A soma das contribuições de curto obtidas com o ATP, considerando somente a amplitude da corrente de falta, é praticamente coincidente com o resultado tradicional. Tabela 5 Níveis de Curto-circuito e a Reatância do Dispositivo Limitador de Corrente Reatância do Limitador de Corrente de Curto-circuito [Ω] Nível de Curto-circuito Ano 2010 Tensão Pré Falta 1.10 p.u. Faltas Monofásicas [ka] Faltas Trifásicas [ka] 17 36,42 31, , ,51 29,77 Como mostrado na Tabela 4, o uso do Programa ATP para calcular as correntes de curto-circuito resulta em valores, pelo menos, 7.5% inferiores que os obtidos de forma padrão. Isto é um fato normal e conhecido. No entanto, considerando o tamanho físico, conforme mostra a Tabela 2, e portanto o custo dos reatores limitadores, essa conclusão é muito importante. A diferença entre os níveis de curto-circuito considerando os resultados obtidos com o ATP indica a necessidade de reavaliar a reatância do equipamento limitador de corrente de curto-circuito, conforme mostrado na Tabela 5. Como mostrado, o valor de reatância de 20 Ohms é adequado pois resulta em uma margem de segurança adequada aos disjuntores de 40 ka. Tabela 6 Resultados de Curto-circuito com o Programa ATP Máximo Nível de Curto-circuito Equipamento Limitador C.Circuito: X R =0; X DLCC =20 [Ω] [ ka ] Year I 3φ I 1φ I 2φ I 2φT ,11 35,75 34,91 34,83 Como mostrado na Tabela 6, o maior valor de corrente de curto-circuito através dos disjuntores instalados na UHE Tucuruí Primeira Etapa é devido a um curto monofásico. No entanto, a corrente injetada no solo, relativa a uma falta bifásica, como mostra a Figura 6 é igual a ka, ou seja, quase 20% superior que o valor padrão, obtido para uma falta monofásica. Esse valor é o que deve ser utilizado no projeto do sistema de aterramento e para a especificação dos cabos OPGW. 4.. COMENTÁRIOS SOBRE VALORES OBTIDOS Como mostrado neste artigo, é possível, e algumas vezes interessante, utilizar programas de transitórios para o cálculo de correntes de curto-circuito. A utilização desse tipo de procedimento pode ser feita nas etapas de planejamento do sistema ou para verificar superação de equipamentos, uma possibilidade bastante interessante uma vez que pode resultar em uma elevada economia em termos de equipamentos e instalações. No entanto, a possibilidade de se utilizar programas de transitórios para o cálculo de níveis de curto-circuito é fortemente ligado aos novos computadores e portanto, existem poucos resultados de campo.

6 8 *10^ (file F2ftr20.pl4; x-var t) c:curtoa- TERRA c:curtob- TERRA c: TERRA- Figura 6 Correntes de Curto-circuito na Subestação de Tucuruí 550 kv, Devido à uma Corrente Bifásica para a Terra. 6 O fato mais importante nesse sentido foi a verificação da possibilidade de reduzir o valor da reatância do dispositivo limitação da corrente de curto-circuito proporcionando redução no custo deste equipamento. Esta nova condição resultou em um incremento na margem operacional do sistema uma vez que são reduzidas as possibilidades de sobrecargas nas linhas de transmissão. Um outro fato importante é que ficou demonstrado que os disjuntores da UHE Tucuruí Primeira Etapa operam com elevada margem de segurança. A possibilidade de simular a operação completa foi verificada. No entanto, nesses casos é conveniente utilizar um modelo mais elaborado para os geradores. Nesses casos, o tempo de simulação pode atingir a casa dos 500 ms e, como observado, é possível que ocorram problemas com os equivalentes de seqüência dos sub sistemas, principalmente em sistemas com configuração radial como a existente no sistema de transmissão de Tucuruí. Os cálculos da corrente de curto-circuito injetada na terra podem ser verificados com precisão. Normalmente, este não é um grande problema para o projeto do sistema de aterramento, pois nesses casos são adotadas margens de segurança bastante elevadas. No entanto, a diferença observada entre os valores de corrente de curto-circuito monofásica e bifásica para a terra pode explicar algumas atuações incorretas dos relés de falha para a terra. Portanto, um importante campo para a aplicação desse procedimento é o da definição dos requisitos dos sistemas de proteção. Como observado neste artigo o método para determinar o nível de curto-circuito com o auxílio de programas de transitórios pode ser um instrumento poderoso, principalmente durante a determinação da superação dos equipamentos, uma tarefa normalmente realizada pelas equipes de operação e manutenção com o auxílio de ferramentas convencionais. Ao se considerar os resultados apresentados, mesmo quando se consideram as elevadas margens de segurança utilizadas nos projetos de aterramento, é necessário observar com maior nível de detalhes o valor real da corrente injetada na terra. Isto é extremamente importante quando da especificação dos Cabos OPGW. Mesmo não se considerando os valores reais de custos é fácil ter em mente que o nível de economia obtido com esse estudo foi muito significativo. Portanto, em caso de dúvidas este procedimento deve ser sempre aplicado. 6. REFERÊNCIAS [1] WESTINGHOUSE, Electrical Transmission and Distribution Reference Book, Copyright 1964, East Pittsburgh. [2] ATP Reference Rule Book No entanto, considera-se que novos resultados, em outros sistemas diferentes dos de Tucuruí devem ser obtidos antes de fixar este procedimento como um padrão universal. 5. CONCLUSÕES Os estudos de transitórios para determinação das solicitações aplicadas aos equipamentos são exigências gerais dos sistemas em 550 kv. No entanto, a extensão desses estudos para avaliar os requisitos de curtocircuito foi uma necessidade ligada ao desejo de melhor especificar os requisitos do dispositivo limitador de corrente de curto.