Décimo Quinto Encontro Regional Ibero-americano do CIGRÉ Foz do Iguaçu-PR, Brasil 19 a 23 de maio de 2013

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1 ANÁLISE DE SUPERAÇÃO DE TC QUANTO AO DESEMPENHO EM CORRENTES ASSIMÉTRICAS DE CURTO-CIRCUITO PANORAMA ATUAL E REFINAMENTO DE ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS R. S. Moretti* R. Antunes* T. S. de Carvalho ** R. G. de Oliveira** F. E. Spressola** G.B. Fabris* R. Salengue* J. F. P. Vaniel* *Eletrosul **Alstom Grid Energia Ltda RESUMO Diversos trabalhos têm sido realizados sobre a superação de equipamentos do sistema elétrico, muitos deles motivados pela criação dos Grupos de Trabalho para Análise de Superação de Equipamentos de Alta Tensão (GT-AS). Visando contribuir com tais estudos e considerando a abordagem do GT-AS sobre desempenho da proteção (TC + relé) frente à saturação do núcleo em situações de curto-circuto, este artigo tem por objetivo avaliar este fenômeno para diferentes TC sob mesmas condições de falta, avaliando-se o desempenho do conjunto de proteção e contribuindo para análise de superação e realimentação de futuras especificações de TC e relés. Resultados de ensaios de curto-circuito em TC foram utilizados para validação de um modelo empregado em simulações no ATP. Este modelo foi então parametrizado para representar um TC real, sob condições reais de curtos-circuitos assimétricos, avaliando-se o nível de saturação do núcleo e o desempenho da proteção de distância. Simulações adicionais reduzindo-se a seção do núcleo e/ou introduzindo entreferro foram realizadas a fim de analisarem-se as diferentes condições de saturação. Finalmente, foram realizados ensaios de faltas aplicadas através de mala de testes, verificando-se o desempenho dos relés frente às correntes secundárias de TC geradas a partir das simulações em ATP. Os resultados obtidos indicam a possibilidade de reduções significativas na seção dos núcleos de TC sem prejuízo para o correto funcionamento do sistema de proteção de distância. PALAVRAS-CHAVE Transformador de Corrente, Relés de Proteção de Distância, Desempenho Transitório, Núcleo Majorado, Núcleos com Entreferro, Saturação, Curto-Circuito, Superação, Modelagem Digital, ATP. 1 / 8

2 1. INTRODUÇÃO A superação de equipamentos nos sistemas elétricos de potência tornou-se um tema de grande relevância tendo em vista a elevada quantidade de instalações existentes com idade avançada e as transformações ocorridas na rede devido ao crescimento da demanda e dos níveis de curto-circuito. Com o objetivo de orientar os Agentes de Transmissão quanto à superação de equipamentos existentes na Rede Básica e nas Demais Instalações de Transmissão (DIT s), bem como, desenvolver metodologias padronizadas para identificação das mesmas, o Operador Nacional em conjunto com os Agentes do Setor Elétrico criaram os Grupos de Trabalho para Análise da Superação de Equipamentos de Alta Tensão (GT-AS) [1]. Para Transformadores de Corrente, a metodologia proposta pelo GT-AS considerou como possibilidades de abordagem: a suportabilidade frente a correntes de regime permanente e curtocircuito e a análise do desempenho do sistema de proteção (TC + relé) considerando a saturação do núcleo em situações de curto-circuito com base na norma IEC 44-6 [3]. Os projetos dos sistemas de proteção baseiam-se nas normas técnicas disponíveis para estes sistemas, que por sua vez não estão associadas às normas de TC. Dessa forma, não há avaliação conjunta do desempenho do sistema relé e TC. Esta falta de vínculo entre as normas pode resultar em exagerado dimensionameto dos TC, com núcleos desnecessariamente majorados, ou até mesmo comprometer o desempenho dos sistemas de proteção. Visando contribuir com os trabalhos desenvolvidos pelo GT-AS, este artigo tem por objetivos avaliar as condições de saturação de diferentes TC (em relação à seção do núcleo e presença de entreferro) sob as mesmas condições de curto-circuito e o desempenho do conjunto TC + relé de proteção sob tais condições, contribuindo dessa forma para a análise de superação e realimentação de futuras especificações de TC e relés. O presente trabalho divide-se em três partes. Inicialmente, apresenta-se a validação de um modelo de TC em ATP (Alternative Transients Program) a partir de resultados de ensaios reais. Em seguida, aborda-se a modelagem do sistema elétrico e dos TC escolhidos para as simulações e ensaios. Finalmente, resultados de ensaios práticos com aplicações de faltas em relés de distância através de mala de teste são apresentados e discutidos. 2. VALIDAÇÃO DO MODELO DO TC NO ATP A figura 1 abaixo mostra o modelo utilizado: Sendo: Fig. 1: Modelo de TC no ATP R1, L1: Resistência e indutância lineares representativas do sistema ligado ao primário do TC. São responsáveis pelo controle da constante de tempo primária do curto-circuito assimétrico; Transformador Ideal: Transformador monofásico ideal que possui como entrada apenas a relação de transformação, não possui indutância interna, nem saturação. É um modelo baseado em um arranjo de resistências [6, 8]; 2 / 8

3 Lm: Indutância saturável do ramo magnetizante (Type 98), a entrada de dados provém da curva Tensão x Corrente (em rms) fornecida pelo fabricante e convertida para Fluxo Enlaçado x Corrente (pico) através da rotina SATURA do ATP. Seu modelo é constituído por setores lineares de indutâncias ( piecewise linear ) e sua lógica é baseada em um arranjo de indutores em paralelo [6, 7]. Esta indutância não leva em consideração a histerese do núcleo ferromagnético, e pode ser utilizada para casos em que este fenômeno não é relevante para o estudo [4]. R2: Resistência secundária linear, interna ao TC; Rc e Lc: Resistência e indutância lineares da carga conectada aos secundários do TC. Conforme demonstrado em [4, 5], a entrada de dados da curva VxI do indutor Lm influencia significativamente a resposta do TC, desta forma duas recomendações são importantes para o bom funcionamento do modelo: Limitar o número de pontos para representar a curva de saturação a fim de evitar instabilidades numéricas [7], considerando neste conjunto os pontos necessários para caracterizar a região de saturação de forma adequada, e acrescentar um ponto, após o último medido, com corrente 10 vezes maior e tensão aproximadamente igual, para garantir a extrapolação da curva de magnetização com baixa inclinação. A indutância de dispersão do secundário tem um efeito desprezível, uma vez que os enrolamentos secundários são considerados uniformemente distribuídos em um núcleo toroidal. Para a validação deste modelo digital, seus resultados foram comparados com ensaios de curto-circuito simétricos (tabela 2) e assimétricos (tabela 3) feitos em dois transformadores de corrente fabricados pela Alstom (tabela 1), no laboratório de altas correntes do CEPEL/RJ (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica). TC Tabela 1 Especificações dos TC Utilizados no Ensaio de Curto-circuito no CEPEL/RJ Tensão máxima [kvef] Corrente Curto- Circuito [ka] Corrente dinâmica [kacr] Fator Térmico Relação Carga [VA] Erro # x1000x A 50 e 100 # x1000x A 50 e % (Ip=1.0 a 1.2In) 10% (1.2In<Ip<=16In) 2.5% (Ip=1.0 a 1.2In) 10% (1.2In<Ip<=25In) Tabela 2 Comparação Resultados Ensaio x Simulação ATP para Curtos-circuitos Simétricos TC Corrente Curto (Ensaio) Primário Corrente Curto (ATP) Erro Corrente Secundária (Ensaio) Secundário Corrente Secundária (ATP) #1-2000/5 A - B ka ka 0,16% A A 0,01% #1-500/5 A - B ka 7.89 ka 0,13% A A 1,24% #2-2000/5 A - B ka ka -0,06% A A -0,43% #2-500/5 A - B ka ka 0,08% A A -2,16% Erro Nas quatro aplicações acima os TC não apresentaram saturação e a comparação foi realizada com o valor eficaz da corrente. Os resultados mostraram que o modelo simulado responde adequadamente, uma vez que erros de até 2% são aceitáveis para o tipo de estudo em foco. Com relação ao curto-circuito assimétrico, foi realizada apenas uma aplicação no TC #2, na relação A, com três núcleos idênticos de proteção cada um conectado a uma das cargas de 25, 50 e 3 / 8

4 100VA. A corrente primária aplicada foi de ka e a simulada foi de ka, um erro de %. Seguem os resultados: Fig. 2 Corrente de Curto-Circuito Assimétrica Fig. 3 Resposta TC frente a uma Corrente de Curto Assimétrica, Carga 100 VA Fig. 4 Resposta TC frente a uma Corrente de Fig. 5 Resposta TC frente a uma Corrente de. Curto Assimétrica, Carga 50 VA Curto Assimétrica, Carga 25 VA Carga [VA] Tabela 3 Comparação Resultados Ensaio Real x Simulação ATP para Curtos-circuitos Assimétricos Secundário Corrente Secundária no Primeiro Ciclo (Ensaio) Corrente Secundária no Primeiro Ciclo (ATP) Erro Corrente Secundária Após Decaimento DC (Ensaio) Corrente Secundária Após Decaimento DC (ATP) Apico Apico -3.26% Arms 69.5 Arms -1.09% Apico Apico 11.05% 69.5 Arms 69.8 Arms -0.43% Apico Apico 4.57% Arms 69.8 Arms 0.43% Os resultados acima mostram que o modelo do TC no ATP representa adequadamente o fenômeno físico da saturação do núcleo, com erros considerados baixos para o primeiro ciclo e após o decaimento DC. Entre estes dois pontos o modelo perde um pouco a precisão, porém está dentro do aceitável para o estudo do impacto da saturação em relés digitais. 3. MODELAGEM DO SISTEMA O sistema escolhido para ser representado foi o TC do terminal de Campos Novos, da LT Campos Novos Barra Grande 230kV, onde parte do sistema pode ser visualizado na figura 6, em destaque. Esta linha de transmissão foi escolhida porque a barra de Campos Novos 230kV possui um dos maiores curtos-circuitos do sistema da Eletrosul, além de ter um elevado X/R por estar próximo de Erro 4 / 8

5 geradores. O sistema do lado de Barra Grande é composto por linhas de transmissão de 230kV e geradores, e do lado de Campos Novos por linhas de 138kV, 230kV, 525kV e geração. Fig. 6 Sistema Elétrico com LT Campos Novos Barra Grande. 3.1 Modelo Implementado O sistema escolhido foi modelado através do software ATP por uma linha de transmissão de parâmetros distribuídos, um equivalente elétrico nas extremidades e uma derivação para representar as contribuições externas às linhas (figura 7). Os valores de curto-circuito foram comparados com um caso oficial de curto-circuito do ONS de 2013 (BR1312PT), comprovando que a modelagem está representando de maneira satisfatória o sistema real. Fig. 7 Modelo Elétrico no ATP da LT Campos Novos Barra Grande e seu Sistema no Entorno. O fabricante do TC atualmente instalado nesta LT, no terminal de Campos Novos, é a Alstom e foi modelado conforme apresentado no tópico 2, levando-se em consideração os dados de projeto para sua resistência secundária e curva de magnetização. A impedância do cabo ligado ao secundário do TC e a impedância do relé foram levantadas considerando o tipo de cabo e a distância entre TC e Relé, calculando-se assim a sua resistência, e, de posse do manual do relé, foi levantado sua resistência de carga, vista pelo TC. 4. ENSAIOS NO RELÉ DE DISTÂNCIA O objetivo dos ensaios práticos foi analisar o desempenho dos relés para diversos curtos-circuitos sob diferentes condições de saturação do TC, além de entender a influência do entreferro no núcleo. Estas faltas geradas através do software ATP foram exportadas em arquivos numéricos e inseridas em uma mala de testes a qual faz a leitura do arquivo reproduzindo as formas de onda de tensão e corrente que são aplicadas ao relé, simulando uma operação em campo. O processamento do relé foi registrado juntamente com seu tempo de operação, para cada falta simulada. 4.1 Escolha das Faltas e TC As faltas foram escolhidas de maneira a proporcionar o maior fluxo no núcleo do TC, submetendo-o às piores condições de saturação. Para isto, os curtos-circuitos foram aplicados logo a frente do TC, do terminal de Campos Novos, com uma assimetria de 100%, ou seja, próxima do zero de tensão do sistema. Apenas curtos monofásicos foram aplicados, uma vez que defeitos trifásicos e bifásicos 5 / 8

6 mascaram a avaliação de operação do relé frente a ondas saturadas. Isto ocorre porque não é possível que todas as fases estejam com a máxima assimetria no momento do defeito, devido a sua defasagem angular, assim a fase com menos saturação permite uma mais fácil detecção do curto-circuito pela proteção de distância. Inicialmente as simulações foram realizadas com o modelo do TC que está em campo. Após isto, foram projetados e modelados novos TC com seção do núcleo variando de 75%, 50%, 25% e 10% do TC original. Isto foi feito com o intuito de aumentar a saturação no núcleo, piorando a resposta do secundário do TC, de maneira a testar o relé para estas condições mais críticas. Além disto, foram projetados novos TC com núcleos com entreferro para 100%, 75%, 50%, 25% e 10% da seção original, neste caso o objetivo foi de comparar o desempenho de um TC com entreferro e de um TC sem entreferro. Um resumo das aplicações de faltas é apresentado na Tabela 4. Tabela 4 Resumo das Aplicações das Faltas. Dados TC Sistema Nome do Presença % Seção do Assimetria Caso Tipo de Falta X/R Entreferro Núcleo % S1 Sem 100 Monofásica S2 Sem 75 Monofásica S3 Sem 50 Monofásica S4 Sem 25 Monofásica S5 Sem 10 Monofásica C1 Com 100 Monofásica C2 Com 75 Monofásica C3 Com 50 Monofásica C4 Com 25 Monofásica C5 Com 10 Monofásica ,4 Wb.t 1,2 4.3 Resultados Práticos Com relação à influência do entreferro na resposta do TC, as figuras 8, 9, 10 e 11 apresentam as formas de onda do fluxo no núcleo e da corrente no secundário, obtidas por simulação, para o TC sem e com entreferro. 250 I[A] 200 1, , ,6 50 0,4 0 0,2-50 0, , ,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 t[s] 1,8 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 t[s] 1,8 (f ile TC_CNO_BGR_75s_1f.pl4; x-v ar t) t: FLUXA (f ile TC_CNO_BGR_75s_1f.pl4; x-v ar t) t: IADELA Fig. 9 Fluxo no Núcleo do TC sem Entreferro Caso S2 Fig. 8 Corrente no Secundário do TC sem Entreferro Caso S2 1,4 250 Wb.t I[A] 1, , , ,6 50 0,4 0 0,2-50 0, , ,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 t[s] 1,8 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 t[s] 1,8 (f ile TC_CNO_BGR_75c_1f.pl4; x-v ar t) t: FLUXA (f ile TC_CNO_BGR_75c_1f.pl4; x-v ar t) t: IADELA Fig. 11 Fluxo no Núcleo do TC com Entreferro Caso C2 Fig. 10 Corrente no Secundário do TC com Entreferro Caso C2 6 / 8

7 Pode-se observar que o fluxo no caso sem entreferro (figura 9) possui uma remanência muito maior que o caso com entreferro (figura 11). Consequentemente, a corrente secundária no religamento é mais distorcida no caso sem entreferro (figura 8) do que no caso com entreferro (figura 10). A abertura do disjuntor ocorreu no exato instante do pico superior da senoide do fluxo, ocasionando a pior remanência para aquele tempo de atuação. Com relação ao impacto da saturação no processamento do relé de distância, não houve alterações significativas nos tempos de atuação da proteção para uma mesma falta monofásica à terra, conforme tabela 5. O estudo foi feito para dois fabricantes distintos de relés. Tabela 5 Resumo dos Tempos de Atuação dos Relés Relé Fabricante #1 Relé Fabricante #2 Nome do Primeiro Religamento Primeiro Religamento Caso Curto [ms] [ms] Curto [ms] [ms] S1 33,2 33,1 10,2 9,9 S2 33,1 33,0 11,1 16,0 S3 33,5 33,4 10,5 16,7 S4 32,9 32,9 9,5 15,2 S5 32,9 33,0 18,0 16,7 C1 33,1 33,0 10,4 11,2 C2 32,0 32,1 10,0 9,7 C3 32,0 32,1 9,4 10,5 C4 32,1 32,0 7,6 9,0 C5 32,5 32,7 10,1 45,2 Contudo, é possível observar através da análise do diagrama RX (figura 12), feito utilizando os dados de oscilografia do relé #1 para simulações com TC sem entreferro, que a dinâmica dos curtos-circuitos foi um pouco diferente, isto é, o deslocamento da impedância medida pelo relé para cada simulação. Para os núcleos de 100%, 75% e 50% da seção original, em meio ciclo de operação após a falta (8,33 ms regiões destacadas em vermelho), a impedância medida já está dentro da região de operação da proteção, enquanto que para núcleos de 25% e 10% da seção original, em meio ciclo de falta, a impedância medida está fora da circunferência de ajuste, área onde o relé considera estar apto para atuar. 4. CONCLUSÃO Fig. 12 Diagrama RX para os Casos sem Entreferro (S1, S2, S3, S4 e S5). As comparações entre os resultados obtidos das simulações e as oscilografias de ensaios comprovam a aplicabilidade do modelo de TC proposto para o estudo de desempenho de proteção e nível de saturação do núcleo. 7 / 8

8 Os ensaios realizados com a mala de teste mostram que mesmo com a redução da seção do núcleo a 10% da original, o conjunto relé + TC apresenta um desempenho satisfatório, com baixos tempos de atuação da proteção para todas as aplicações tanto para o relé #1 como para o relé #2. Deve-se salientar que apesar de tempos de atuação diferentes entre relé #1 e #2, ambos atendem o procedimento de rede do ONS, o qual solicita que a eliminação do defeito em linhas de transmissão de 230 kv seja abaixo de 150 ms [9]. Se somarmos o tempo máximo de atuação de proteção obtido nos ensaios com os tempos típicos de relés auxiliares e abertura dos disjuntores não chega ao tempo de 120 ms, sendo este inferior ao normatizado. A presença de entreferros no núcleo do TC contribui para a rápida desmagnetização do mesmo, diminuindo o nível de saturação do núcleo e consequentemente melhorando a resposta da corrente secundária em casos de religamento. Porém, este fenômeno não contribui de forma significativa para alterar o tempo de atuação do relé, sendo o entreferro desnecessário para este caso. A ausência de entreferros no núcleo otimiza a fabricação do TC. Levando-se em conta apenas a análise da proteção de distância, é possível obter uma redução significativa no tamanho do núcleo do TC, ou obter um prolongamento da utilização dos equipamentos instalados em campo considerados hoje superados por desempenho em regime transitório. Resultados semelhantes foram percebidos em [2], quando TC classificados, a princípio, como superados, foram considerados adequados após ensaios com aplicação de faltas em relés eletromecânicos. Para possibilitar esta otimização do TC para qualquer aplicação é necessário analisar o desempenho de outras funções de proteção, tal como a diferencial de barra, bem como realizar ensaios utilizando relés de vários fabricantes. Esta análise mais abrangente poderá permitir a correlação entre as especificações de relés e TC. BIBLIOGRAFIA [1] Diretrizes para Análise de Superação de Transformadores de Corrente, Operador Nacional do Sistema Elétrico, [2] DUARTE, A. L.; CARVALHO, J. F. M.; ANTUNES, R. Avaliação do Desempenho de Proteções Diante da Resposta Transitória de Transformadores de Corrente, Relatório DPES/SEACS-12/12; 18/01/2006; [3] IEC 44-6 Requirements for Protective Current Transformers for Transient Performance, International Standard, [4] KEZUNOVIC, M.; KOJOVIC, LJ.; FROMEN, C. W.; SEVCIK, D. R.; PHILLIPS, F. Experimental Evaluation of EMTP-Based Current Transformer Models for Protective Relay Transient Study, IEEE Transactions on Power Delivery, v. 9, n. 1, jan [5] KOJOVIC, LJ. A. Comparison of Different Current Transformer Modeling Techniques for Protection System Studies, Cooper Power Systems, Fransksville, WI 53126, IEEE, [6] Electromagnetic Transients Program Theory Book. [7] Alternative Transient Program Rule Book. [8] CARVALHO, T. S. Modelagem de Transformadores e Autotransformadores no Software ATP, Universidade Federal de Itajubá, Disciplina de Transitórios Eletromagnéticos, [9] Procedimento de Rede Submódulo 2.6 Requisitos Mínimos para os Sistemas de Proteção e Telecomunicações, Operador Nacional do Sietema Elétrico, / 8