IX. seminnrio ntoorini DePRODuenoe Tunnsmisfiouns enereifioemcn

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1 IX. seminnrio ntoorini DePRODuenoe Tunnsmisfiouns enereifioemcn BHGSP23 BELO HORIZONTE - MG - BRASIL 1987' GRUPO IV - SISTEMAS DE POTÊNCIA - (GSP) HARMÔNICOS GERADOS PELO COMPENSADOR ESTÁTICO DE FORTALEZA - COMPARAÇÃO ENTRE OS VALORES MEDIDOS E CALCULADOS H.S.BRONZEADO, L.S.F.LUCENA, R.X.SOBRINHO CHESF 1. INTRODUÇÃO O Compensador Estático (CE) de Fortaleza tem como objetivo principal manter constante a tensão da barra de 230 kv da subestação Fortaleza; CHESF, a despeito de ocorrências de emergência simples de linhas de transmissão e rejeições de cargas dos subsistemas derivados daquela subestação. 0 CE de Fortaleza (Figura 1) é composto basicamente por: - Três transformadores monofásicos kv, com dois secundários, sendo um ligado em delta e outro em estrela com neutro flutuante. - Dois reatores controlados a tiristores, trifásicos, ligados em delta aos secundários do transformador, onde cada ramo do delta é composto por dois reatores separados pela válvula de tiristores. - Dois bancos de capacitores ligados em vários grupos de estrelas com neutro flutuante. 230 kv MVA kv 0 presente informe técnico mostra os resultados do estudo pré-operacional efetuado para verificar os níveis de harmônicos causados pelo CE de Fortaleza e faz uma análise comparativa com as medições executadas no campo durante o seu comissionamento. 2. PRINCÍPIO DE OPERAÇRO DO REATOR CONTROLADO A TIRISTOR A Figura 2 - (a) mostra um ramo do reator controlado a tiristor; o elemento de controle é representado simbolicamente por tiristores com polaridades opostas. Se os tiristores são disparados exatamente nos picos da tensão de alimentação, a corrente resultante é semelhante àquela do reator totalmente inserido, ou seja, como se os tiristores estivessem curto-circuitados. A corrente é portanto essencialmente reativa, atrasada 90» da tensão. Se o disparo for atrasado igualmente em ambos os tiristores, várias formas de onda de corrente são obtidas (Figura 2 - (b)), onde cada uma delas corresponde a um valor particular do angulo de disparo a, medido do "zero crescente" da tensão. A condução total corresponde a o = go» ; a condução parcial é obtida com a entre 90» e 180. reator _ [v A X v no \ a C = 373 uf 139,5 Mvar 31,5 kv L = 22,8 mh 109,4 Mvar17,68 kv Fig. 1 - Compensador Estático de Fortaleza O reator controlado a tiristor (RCT) é um, equipamento de características não-lineares. A sua utilização para controlar, de forma contínua, a absorçãoinjeção de potência reativa no sistema. faz com que a operação do CE provoque o aparecimento de componentes harmônicos. Esse fato requer que sejam efetuados estudos com o objetivo de determinar os níveis de harmônicos que poderão ocorrer, e avaliar a necessidade de instalação de filtros. tiristores y H 1-100' 0 SO fase, graus (a) (b) Fig. 2 - (a) Modelo de um RCT. (b) Formas de onda da corrente num RCT monofãsico.

2 BHGSP23-2- O atraso do ângulo de disparo tem como efeito a redução da componente fundamental da corrente. Isto é equivalente a um crescimento na indutância do reator, rèduzindo tanto a sua potência -reativa como a sua' corrente. Podemos dizer então que o RCT é uma susceptância controlada. A corrente instantânea é dada por: 0, \2 V (cos cos ut), a < ut < a + o ut < a + n = onde V é a tensão rms; e a reatância do reator na freqüência fundamental, em ohms; u = 2nf ; a é o ângulo de disparo e o = 2(n - a) é o ângulo de condução. A componente fundamental é determinada pela Análise de Fourier e é dada por: I a - Sen o A rms 3. CORRENTES HARMÔNICAS GERADAS PELO REATOR CONTROLADO A TIRISTOR Com o atraso do ângulo de disparo, a corrente torna-se não senoidal, o que causa a geração de correntes harmônicas pelo RCT. Sé os ângulos de disparo são balanceados (igual para àmbos os tiristores), aparecem no ramo de RCT todos os harmônicos de ordem ímpar, e o seu valor rms é dado por: onde, = 4_V_ (SeníhU) g + Senfh-l] g _ ^ Sen h a» X L l 2(h+]) 2(h-l) 3,5,7 A Figura 3 mostra a variação das amplitudes das correntes harmônicas com ângulo de disparo, dadas em percentagem da corrente fundamental para condução total. ^Observe que os máximos não ocorrem para um mesmo ângulo. Nos sistemas trifásicos a ligação usada é a de três RCT's '.monofásicos ligados em delta. Quando o sistema é equilibrado os harmônicos de ordem 3K (K = 1,3,5,..!) circulam no delta e não aparecem nas correntes de linhas. Desta forma, somente os harmônicos de ordem 6K ± 1 (K 1,2,3,...) estarão presentes nas correntes de linhas do RCT trifásico. A Figura 4 mostra as formas de ondas da corrente de linha e de fase de um RCT conectado em delta. Embora essas formas de onda sejam di ferentes, as amplitudes relativas dos harmônicos, são iguais. :àquela da Figura 3. A Tabela 1 dá as amplitudes máximas dos harmônicos gerados no RCT até a ordem; 37«. f [V \ 1 ISO o A r h J i i (O o. 130* o-100* - v 7 \. y \ \ Mjo.lSOfase, graus corrente de fase fase, graus corrente de linha Fig Formas de onda das correntes de fase e de linha de um RCT trifásico conectado em delta. i TABELA 1 Amplitudes Máximas das Correntes Harmônicas de um Reator Controlado à Tiristores ordem harmônica rih.u) Ma % 180 ângulo de disparo, graus 90 Fig. 3 - Amplitudes das correntes fundamental e harmônicas de um RCT (13,78)V 5 5,05 ' 7 2,59 9. (1,57) 11 1, , (0,57) 17 0, , (0,29) ' 23 0,24 25 O, (0,17) , , (0,12) 35 0, ,09 As correntes harmônicas são dadas em percentagem da componente fundamèntal para. condução total e se aplicam para corrente de fase e de linha, exceto os de ordem 3K (K=l,3,5...) que não aparecem nas correntes de linhas quando o sistema é equilibrado.

3 -3- BHGSP23 Um desequilíbrionos ângulos de disparo nos tiristores em oposição faz com que seus períodos de condução sejam desiguais, gerando componentes harmônicos de toda as ordens (par e ímpar), além de nível DC..Os harmônicos que não são de ordem 6k i 1(K = 1,2,3,...) são chamados de harmônicos não-característicos, e suas amplitudes dependem dos desequilíbrios existentes. Os valores típicos situam-se numa região mostrada na Figura 5. o.i - Fig. Ihli (%) 0R0CU HUlitNI» 5 - Região típica dos.harmônicos não característicos de um RCT trifásico. Os harmônicos produzidos por RCT's são normalmente! éliminados através de filtros. Uma alternativa porém para diminuir a injeção de harmônicos no sistema, principalmente o 5- e c 7 2, é dividir o RCT em duas partes iguais e alimentá-los através de dois secundários de um transformador, defasados de 30. Esse arranjo é chamado de 12 pulsos, uma vez que os tiristores são disparados 12 vezes em cada período da tensão de alimentação. Com esse esquema os harmônicos característicos são da ordem 12K ± 1 (K" = 1,2,3,...) e dessa forma o RCT pode ser usado sem filtros de 5- e 7 5 harmônicos, o que é uma vantagem principalmente num sistema onde se espera ressonâncias próximas. a essas freqüências. ; Uma outra vantagem da ligação 'de 12 pulsos é que, numa contingência de uma das seções do CE, a outra pode ser dimensionada para operar normalmente, tomando-se o cuidado porém de garantir a eliminação dos harmônicos. 4. EFEITOS DOS HARMÔNICOS Os efeitos dos harmônicos nos equipamentos elétricos se manifestam através da diminuição da sua vida útil, perdas de energia e até mesmofaiha de operação de alguns componentes. Harmônicos também provocam ruídos nos sistemas de comunicação. De um modo geral podemos dizer que os harmônicos afetam_ qualquer dispositivo que se baseie na existência de formas de onda senoidal para sua operação normal. Os principais componentes do sistema que são afetados pelas correntes eou tensões harmônicas são os seguintes: - Banco de Capacitores - A impedância de um capacitor diminui com o aumento da freqüência. Por essa razão, os bancos de capacitores atuam como um "sorvedouro" de harmônicos em um sistema de potência. Como resultado, muitos problemas de harmônicos surgem primeiro nesse tipo de componente, através da queima de fusíveis eou danificação de células capacitivas. Os. bancos de capacitores, quando alimentados.. com tensões distorcidas, fornece potência reativa difierente da nominal e tem sua vidaf. útil bastante prejudicada. Nestas condições é comum um aquecimento anormal e a solicitação de- isolamento, que. é proporcional ao valor de pico. da tensão, pode.ser aumentada com os harmônicos da tensão. Tipicamente, um acréscimo.de 10% na tensão resultará num crescimento de 7% na temperatura, reduzindo a vida útil para 30%. - Transformadores - Os harmônicos provocam crescimento das perdas no cobre e no ferro, além de fadiga de isolamento. - Máquinas Rotativas - As correntes harmônicas podem causar um aquecimento adicional devido ao aumento das perdas no cobre e no ferro. Nos motores de indução provocam mudanças no conjugado motor, resultando no aparecimento de torques oscilatórios que podem levar a problemas de vibração mecânica para o motor e carga acionada. - Relês de Proteção - A operação desses relês são afetadas de várias maneiras. Aqueles que dependem dos valores de picos ou_ zero da tensãocorrente para sua operação são, obviamente afetados çela distorção harmônica. Nos relês eletromecanicos causam componentes de torque adicional alterando as suas características de tempo. Em geral, os níveis de harmônicos requeridos para provocar um mal funcionamento dos reles são maiores do que aqueles aceitáveis para outros equipamentos. - Medidores de Enerqia - Os aparelhos com disco de indução são projetados e calibrados para operar somente para tensão e corrente fundamental. A presença de harmônicos gera torques adicionais no disco causando erro na leitura do medidor. Pesquisas no Canadá indicaram que 20% de 5 9 harmônico pode produzir um erro de 10-15% num wattímetro trifásico de dois elementos. - Equipamentos Eletrônicos - Normalmente os equipamentos eletrônicos dependem da determinação precisa do "Zero Crossing" da tensão. A presença de harmônicos pode resultar.num deslocamento dessa referência causando mal funcionamento e até mesmo instabilidade nos sistemas de controle. 5. MODELAGEM UTILIZADA NO ESTUDO DE HARMÔNICO Os elementos do sistema foram representados de acordo com os modelos utilizados pelo programa HARP 03, ou seja: As linhas de transmissão, com parâmetros distribuídos, são representados pelo seu pi equivalente. As correções para o efeito pelicular são calculadas de acordo com as expressões contidas no manual do programa, que leva em conta as tensões a que estão submetidas os cabos condutores das linhas de transmissão e a disposição geométrica desses condutores entre s i. Os transformadores são representados pela sua reatância em paralelo com um resistência da ordem de 80% da reatância. Os capacitores e reatores são representados pelos seus respectivos elementos básicos. A representação dos filtros é feita pelos elementos básicos_que os compõem. Os geradores são representados pela sua impedância síncrona. As cargas são representadas por resistências puras com valores inversamente proporcionais a potência ativa da carga. As cargas não-lineares são representadas por fontes ideais de corrente ou tensão harmônica. O programa HARP 03 originário da CEGB (Inglaterra), fornece o resultado de um fluxo de carga A.C. para cada freqüência especificada e calcula as impedâncias, tensões e correntes harmônicas em cada ponto do sistema. É dimensionado para 400 barras, 700 linhas e 25 pontos de injeção, onde podem ser acopladas as fontes harmônicas. No estudo pré-operacional. o CE foi representado pelos elementos que o compõe, onde os RCT's figuram como fontes ideais de correntes harmônicas (Figura 6) cujas amplitudes foram calculadas por um programa específico fornecido pelo_ fabricante do equipamento (SIEMENS). Os harmônicos não-característicos de ordem, 3K (K = 1,2,3...) e os pares (2 2 e 4«)forani calculados considerando desequilíbrios de 2% de seqüência negativa na tensão do sistema e de ±2" nos ângulos de disparos dos tiristores. Como o CE de Fortaleza opera_ normalmente com 12 pulsos, teoricamente os harmônicos característicos de 6 pulsos que não são comuns aos de 12 pulsos (por exemplo: 5= e 75), seriam cancelados, e os de mesmas ordens (por exemplo: 11? e 132), seriam duplicados. Entretanto, na prá-

4 BHGSP23-4- tica, devido aos desequilíbrios existentes nos parâmetros do sistema e principalmente, do transformador, isso não ocorre. Para se obter um efeito mais próximo a realidade, defasa-se convenientemente as correntes geradas por cada RCT, de maneira que a corrente harmônica a ser injetada pelo CE no sistema, isto é,. a corrente no -230 kv, tenha a formação desejada. harmônicas de linha no RCT e desequilíbrio nas tensões da barra de 26 kv. A Tabela 2 mostra o resultado desse ensaio e os valores calculados pelo programa fornecido pela SIEMENS. Observa-se que as amplitudes das correntes estão razoavelmente próximas, considerando ainda que o erro acumulado da medição está na faixa de í6%. SISTEMA 230 kv Correntes ordem TABELA 2 Harmônica s de Linha do RCT, Lado A, do CE de Fortaleza lh (A) XabY d 26 kv [ísh IhV RCT llfh transformador Ifh Ish ^ XabA 26 kv RCT vl IhA Fig. 6 - Modelo do CE operando em 12 pulsos 6. METODOLOGIA DE MEDIÇÃO DE HARMÔNICOS A medição de componentes harmônicos em sistemas de potência consiste em adquirir, no campo, os sinais de tensão e correntes nos pontos de interesse para análise e verificação dos níveis reais. Uma das características importantes dos equipamentos na medição de harmônicos é a sua resposta em freqüência. É essencial que o sinal de entrada nos instrumentos de medição represente, o mais ; exato possível, a tensão ou corrente que esta sendo medida no sistema. Os sinais de tensão são obtidos através de transformadores de potencial (TP), transformadores de potencial capacitivos (TPC), divisores de potencial capacitivos (DPC), etc. Os mais adequados para medir as tensões harmônicas são os DPC's, uma vez que possuem respostas planas para as freqüências harmônicas. Os sinais de corrente são obtidos através dos transf ormadoreis de corrente (TC), que normalmente não constituem problemas de respostas em freqüência na região de interesse (até 3 khz). Nas medições de harmônicos do CE de Fortaleza, os sinais de tensão foram obtidos dos tapes capacitivos da buchas de 230 kv do trünsformador de potência e dos DPC's especialmente instalados na barra de 26 kv do CE. Os sinais de.corrente, oriundos de vários TC's, foram convertido em sinais de tensão através de um resistor série calibrado e adequadamente in.scrido nos secundários dos TC's. Os instrumentos utilizados na medição de twi rmônicos foram o analisador de espectro HP- JCH2A, os analisadores de onda HP-3580A e HP- 3581A e. os registradoras XV HP-7047A e HP-7646A. 0 analisador de espectro utiliza a Transformada Rápida de Fourier para processar a.jnálise do sinal medido e apresenta numa tela oscilocópica, como saída, a forma de onda de entrada e seusespectros de amplitudes e fase em função da freqüência. 0 analisador de onda é um instrumento do tipo voltímetro seletivo, que faz a análise espectral do sinal de entrada utilizando a varredura de freqüência. É mais utilizado para se verificar o comportamento de um determinado harmônico do tempo. Os registros das medições são. feitos através de registradores XY acoplados as saídas dos analisadores de espectros e de onda. O desequilíbrio das tensões do sistema foi medido com um instrumento de fabricação ERA, o "Negative Phase Sequence", que dá diretamente o percentual da tensão de seqüência negativa em relação a tensão de seqüência positiva. 7. ANALISE DOS VALORES CALCULADOS E MEDIDOS Com o CE de Fortaleza operando so com o lado isto é, com 6 pulsos, e com aproximadamente O Mvar, foram feitas medições de correntes harmônica medida calculada 2 3,8-3 30,0 28, ,0 163,7 7 53,4 42,7 9 10,7 8, ,8 34, ,2 10, ,0 5,0 Os valores foram calculados considerando a tensão de seqüência negativa igual a 1,3% da tensão de seqüência positiva, medida no momento do ensaio (180586) e com um ângulo de disparo igual a 119 (CE com 0 Mvar). Não foi considerado desequilíbrios nos ângulos de disparo dos tiristores. CE operando em 6 pulsos. A^ Tabela 3 juntamente com a Figura Tmostra os módulos dos fatores de distribuição de correntes sh e Pfh, medidos e calculados, na p barra de 26 kv, lado a, do CE de Fortaleza. Esses dois parâmetros descrevem a característica do sistema de potência para o fluxo das correntes harmônicas. - "sh é a relação entre a impedância do capacitor e a impedância total vista da barra de 26 kv (inclui o capacitor). É equivalente a corrente em PU que entra no sistema, ou seja, sh = IshIh onde Ish e lh é a corrente de p linha no secundário do transformador e RCT, respectivamente. - p fh é a relação entr.e a impedância do sistema da barra de 26 kv (incluindo o transformador) e a impedância. total. É equivalente a corrente em PU que f l u i para o capacitor, ou seja, Pfh= IfhIh onde Ifh é a corrente no capacitor. TABELA 3 Módulo dos Fatores de Distribuição de Correntes na Barra de 26 kv, Lado a, do CE de Fortaleza Ordem harmônica Psh Ofh medido calculado medido calculado 2 2,50 1, 53 1,97 1,08 3 4,15 1,59 4,42 2,49 4-0,48-1,47 5 0,31 0,26 1,25 1, ,29 0, 11 1,25 1,11 9 0,11 0,06 0,79 1, ,07 0,04 0,99 1, ,05 0,03 1,05 1, ,04 0,02 0,62 1,02 CE operando em 6 pulsos Como se pode notar, as diferenças entre os valores medidos e calculados dos fatores de distribuição "de correntes são pequenas, a menos para aquelas freqüências próximas à região de ressonância. Esses fatores foram obtidos a partir dos valores calculados, pelo programa HARP 03. Quanto as tensões harmônicas provocadas pela operação do CE de Fortaleza no sistema, mais especificamente na barra de 230 kv gue o alimenta, não foi possível fazer uma analise comparativa devido à influência das tensões harmônicas já existentes, causadas pelo somatório das pequenas cargas não-.lineares do sistema de distribuição.

5 -5- BBGSP23 psh medido calculado * Pfh medido calculado Fig. 7 - Fatores de Distribuição de Correntes na barra de 26 kv do CE de Fortaleza. É interessante mencionar um fato paradoxal que ocorreu na energização do CE de Fortaleza: antes do CE entrar, a corrente do transformador e tensão de 52 harmônico no 230 kv era 0,12 A e 0,7%, respectivamente; após o fechamento do disjuntor de 26 kv, energizando o RCT e o banco de capacitores do lado â, a corrente e a tensão passaram a ser 8,0 A e 0,1%, respectivamente. Outro fato, não menos interessante, ocorreu quando da permuta do lado A pelo lado Y. A tensão harmônica no 230 kv variou em sentido oposto, embora a corrente no" transformador fosse da mesma ordem _ de grandeza. Esses fatos constatam a influência do ângulo da corrente harmônica gerada pelo CE que, lamentavelmente, não se teve condições de medir. 8. CONCLUSÃO Conforme verificado no item anterior os programas digitais utilizados representaram, com uma boa aproximação, o equipamentosistema estudado. A ressonância paralela interna ao CE, evidenciada operacionais, foi constatada campo. Não se pode_ fazer uma análise comparativa das tensões harmônicas provocadas pela operação do CE devido a influência das tensões harmônicas já existentes no sistema. 9. SUGESTÕESCONSIDERAÇÕES FUTURAS Embora não se tenha evidenciado problemas que poderão surgir devidos as distorções harmônicas, torna-se imprescindível um acompana barra de 26 kv, nos estudos prépelas medições de nhamentocontrole dos níveis desses distúrbios, através de medições periódicas ou com a instalação de equipamentos de supervisão de harmônicos. Recomenda-se a realização de estudos com o objetivo de verificaravaliar a influência do RCT na impedância harmônica do sistema, bem como a interação entre as seções de um mesmo CE e entre CE's de subestações diferentes. Métodos de cálculos e de medição devem ser desenvolvidos de forma a considerar a influência da "poluição" harmônica já existente no sistema. Esforços devem ser conduzidos no sentido de dotar as empresas de técnicos, ferramentas computacionais e instrumental adequados a essa área de atividade. BIBLIOGRAFIA (1) RT - DOEL , "Estudo Pré-Operacional dos Harmônicos Gerados pelo Compensador Estático de Fortaleza", CHESF, Recife, Fevereiro1984. (2) BRONZEADO, H.S., et a l i i, "Avaliação da Modelagem dos Componentes do Sistema para Simulação dos Distúrbios Harmônicos a Partir de Ensaios de Campo com a Utilização de Moderno Analisador de Espectro", VII SNPTEE, GSP13, Brasília, (3) MILLER, T.J.E., "Reative Power Control in Electric System", John Willey, New York, (4) BRONZEADO, H.S., "Medições dos Distúrbios Provocados por Cargas Especiais", Palestra no Curso de Cargas Especiais, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, Setembro1985. (5) MELIOPOULOS, A.P., CHAKRAVARTHI, K. R., ORTMEYER, T.H., "Effects of Harmonics on Power Systems Equipments and Loads", IEEE Tutorial Course, Power System Harmonics, IV.A, 84 EH PWR. (6) RELATÓRIO DE ENSAIO DOLB-04686, CHESF. (7) BRONZEADO, H.S., "Conceito, Avaliação, Análise e Controle dos Distúrbios Causados pela Operação de Consumidores Especiais", I CPEOCCON, Salvador, Outubro1986. (8) CIGRÉ, "Modeling of Static var Compensators in Power System Studies", WG-38.01, Static var Compensator, Chapter 4, Recife, 02 de Abril de 1987 JailtonAdilson