Introdução à proteção de redes ativas de distribuição

Transcrição

1 Introdução à proteção de redes ativas de distribuição Eletrônica de Potência para Redes Ativas de Distribuição Marcelo Lobo Heldwein, Dr. Sc. Refs.: Per Karlsson, DC Distributed Power Systems - Analysis, Design and Control for a Renewable Energy System, 2002.

2 Influência de GD em esquemas de proteção Exemplo 1 Situação 1 o o Se a falta for em A ou próxima de DG Monitorar a tensão no barramento e abrir PD 2

3 Influência de GD em esquemas de proteção Exemplo 1 Situação 2 o o Se a falta for em C ou longe de DG UMZ-2 deverá ser mais rápida que UMZ-1 e abrir 3

4 Influência de GD em esquemas de proteção Exemplo 1 Situação 3 o o Se a falta for em B ou mais ou menos longe de DG UMZ-1 possivelmente abrirá 4

5 Influência de GD em esquemas de proteção Outros possíveis problemas Islanding o Fontes de GD mantém energizada uma parte da rede Atuação de protetores de rede o Estes são protetores que só permitem fluxo de potência em uma única direção 5

6 Rede exemplo 1 Rede radial sem GD Fluxo unidirecional Somente disjuntores e fusíveis são utilizados 6 6

7 Rede exemplo 2 Rede radial com GD Fluxo bidirecional Em caso de falta, todas as unidades de GD são desconectadas Somente disjuntores e fusíveis são utilizados 7 7

8 Rede exemplo 3 Rede em anel com GD Fluxo bidirecional São gerados anéis para circulação de corrente Possibilidades: Proteção diferencial Proteção contra sobrecorrentes com módulos de direção e comunicação 8 8

9 Outros aspectos para a proteção de GD Relés de impedância Medem correntes, que podem ser menores com a inclusão de GD Flicker (cintilamento) Intermitência de fontes Aterramento Todos os potenciais de terra devem ser equalizados Níveis de corrente de falta Inversores têm limitações de corrente 9 9

10 Esquemas de proteção para geração distribuída Desligamento quando a rede colapsa Vantagens o Baixo custo o Facilidade de implementação Desvantagens o Não há aumento de confiabilidade Requisitos de desconexão, sobrecorrente e sobretensão de acordo com IEEE

11 Esquemas de proteção para geração distribuída Desligamento quando a rede colapsa Métodos anti-ilhamento (anti islanding) o Passivos o Ativos 11

12 Esquemas de proteção para geração distribuída mais evoluídos Desconectar e manter uma pequena parte da rede (microrrede) operando quando a rede colapsa Vantagens o Há aumento de confiabilidade Desvantagens o Aumento de custo o Necessidade de métodos de proteção adequados quando em ilhamento 12

13 Chave estática 13 13

14 Chave estática 14 14

15 Chave estática - sincronização 15 15

16 Chave estática - sincronização 16

17 Esquemas de proteção para microrredes Devem operar em ambos os modos de operação (em ilhamento e conectada) Devem ser capazes de detectar uma ampla faixa de correntes de falta Devem ser capazes de detectar correntes de faltas bidirecionais Em resumo: devem ser bem diferentes dos utilizados em redes de distribuição convencionais 17

18 Esquemas de proteção para microrredes Desconectar toda a microrrede em caso de falta dentro desta Vantagens o Facilidade de coordenação o Custo relativamente baixo de implementação Desvantagens o Menos confiabilidade o A desconexão/conexão de grandes cargas/geradores pode piorar a situação para a concessionária 18

19 Esquemas de proteção para microrredes Desconectar com seletividade apenas a linha sob falta Vantagens o Maior confiabilidade (especialmente para redes interconectadas) Desvantagens o Dificuldade de coordenação o Alto custo de implementação Desafios o Fontes estão distribuídas o Limitação de correntes de falta de inversores 19

20 Proteção plug-and-play 20 20

21 Proteção plug-and-play Vantagens o Facilidade de implementação o Não necessita de alterações para incluir novas fontes Desvantagens o Não há comunicação o Pode não ser capaz de detectar algumas faltas de alta impedância Desafios o Uso de componentes simétricas o o Coordenação entre operação desbalanceada e sob falta Temporização de relés 21

22 Esquemas de proteção com comunicação Uso de proteção diferencial contra sobrecorrentes Uso de comparação de níveis de tensão Vantagens o Operam bem tanto em ilhamento quanto com a rede conectada Desvantagens o Podem não ser capazes de detectar algumas faltas de alta impedância 22

23 Esquemas de proteção com comunicação Uso de relés digitais de proteção Utilizam relés modernos com medição fasorial sincronizada o Desnecessário para distâncias < 29 km Se baseiam em comunicações de alta velocidade São capazes de detectar faltas de alta impedância Corrente é amostrada 16 vezes a cada período de rede e comunicada com os relés próximos Relés são utilizados nos terminais de cada linha 23

24 Esquemas de proteção com comunicação Uso de relés digitais de proteção Proteção primária o Proteção diferencial comunicada entre relés nos terminais de cada linha o Comparam-se as diferenças e se estas forem maior que dado limite, dispara-se a proteção o Desconecta-se na próxima passagem por zero 24

25 Esquemas de proteção com comunicação Uso de relés digitais de proteção Proteção secundária (backup) o Havendo falha na abertura da linha, dispara-se sinal para todos os dispositivos de proteção do distribuidor o Envia-se o sinal se a corrente diferencial ainda é medida após 300 ms 25

26 Esquemas de proteção com comunicação Uso de relés digitais de proteção Proteção terciária o Em caso de falta do link de comunicação utiliza-se a proteção por comparação de níveis de tensão Dispara-se o relé com maior sobretensão ou menor subtensão Envia-se sinal para o controlador central o Atua, no máximo, 600 ms após a medição da sobreou subtensão para que haja tempo das outras proteções atuarem o Todas as fontes são desconectadas após 1 s de medição de sobre- ou subtensão 26

27 Exemplo de proteção com comunicação PD 1: Proteção no PCC PD 2: Proteção de alimentador utilizando mini-disjuntor (MCB), disjuntor (CB) ou chave estática (SS) PD 3: Ramal de serviço de utilizando MCB ou SS em nanorredes ou Microrredes em CC PD 4: Proteção de GD 27 27

28 Exemplo de proteção com comunicação 28 28

29 Exemplo de proteção com comunicação 29 29

30 Aterramento e detecção em CC 30 30

31 Aterramento e detecção em CC Aterramento deve considerar tensões de sequência 0 Capacitores de aterramento devem garantir correntes suficientes para detectar uma falha Capacitância de cabos deve ser somada 31 31

32 Situações de falta Curto-circuito no lado CC Capacitores do barramento contribuem para as correntes de falta 32 32

33 Situações de falta Curto-circuito no lado CC Constantes de tempo são tipicamente longas pelos altos valores de capacitância Após a descarga dos capacitores o curto é alimentado pelas fontes CA através de diodos dos retificadores 33 33

34 Situações de falta Curto-circuito no lado CA As correntes de curto são alimentadas pelas fontes de energia Proteções em CA devem atuar facilmente Se o curto for próximo a um conversor, a proteção ou limitação de corrente pode atuar sem problemas 34 34

35 Situações de falta Curto-circuito no lado CC para terra Capacitores de aterramento e de cabos para a terra contribuem para as correntes de falta 35 35

36 Situações de falta Curto-circuito no lado CC para terra Constantes de tempo são tipicamente curtas Pode-se incluir resistores em série com capacitores de aterramento 36 36

37 Situações de falta Curto-circuito no lado CA para a terra Condições iniciais dependem do tempo 37 37

38 Situações de falta Curto-circuito no lado CA para a terra As correntes de curto são alimentadas por diferentes caminhos 38 38

39 Situações de falta Curto-circuito no lado CA para a terra Indutâncias e semicondutores limitam os valores de corrente 39 39

40 Detecção e seletividade Correntes de curto-circuito para a terra fluem como correntes de modo comum Para impedâncias de falta baixas, fluem altas correntes de modo comum Para altas impedâncias de falta, as amplitudes são baixas e se deve realizar medições diferenciais 40 40

41 Detecção e seletividade Sugestão: Em alguns casos é necessário utilizar detectores de derivada ou integral das correntes medidas e até das tensões dos barramentos 41 41

42 Proteção por dispositivos eletromecânicos Interruptores eletromecânicos Tempo de abertura:100 s ms até10 s Tempos dependem da corrente Queda de tensão em condução é baixa (μω) Boa capacidade de sobrecarga 42

43 Proteção por dispositivos eletromecânicos Princípios Criação de um arco elétrico Extingue-se na passagem por zero da corrente (CA) Se a tensão sobre o arco crescer mais lentamente que a capacidade dielétrica, não há re-ignição Relação X/R indica a velocidade de crescimento da tensão de recuperação X/R alto = alta velocidade de crescimento da tensão 43

44 Proteção por dispositivos eletromecânicos Capacidade dielétrica Aumenta com o Resfriamento do arco o Aumento da pressão o Aumento de ar fresco o Aumento do comprimento do arco 44

45 Proteção por dispositivos eletromecânicos E em CC? 45

46 Proteção por dispositivos eletromecânicos Em CC O dispositivo de proteção deve construir uma tensão contrária para abrir um circuito A energia armazenada na linha (indutâncias distribuídas) deve ser absorvida pelo dispositivo antes de abrir Contatos mecânicos sofrem erosão = custo de manutenção 46

47 Proteção por dispositivos eletromecânicos Abrir uma corrente em CC: Aumenta-se a distância do arco Melhoram-se as condições para extinção do arco o Opção: 3 disjuntores CA em série o Corrente para disparo magnético é 2 vezes para disjuntor CA operando em CC Utiliza-se o campo magnético para aumentar a distância o Opção: 1 disjuntor CC (maior custo) Utiliza-se ressonância o Opções: 47

48 Proteção por dispositivos eletromecânicos Abrir uma corrente em CC : Aumenta-se a distância do arco Melhoram-se as condições para extinção do arco o Opção: 3 disjuntores CA em série o Corrente para disparo magnético é 2 vezes para disjuntor CA operando em CC Utiliza-se o campo magnético para aumentar a distância o Opção: 1 disjuntor CC (maior custo) Utiliza-se ressonância o Opção: disjuntor híbrido o Utilizado em HVDC 48

49 Proteção por dispositivos eletromecânicos Abrir uma corrente em CC : Aumenta-se a distância do arco Melhoram-se as condições para extinção do arco o Opção: 3 disjuntores CA em série o Corrente para disparo magnético é 2 vezes para disjuntor CA operando em CC Utiliza-se o campo magnético para aumentar a distância o Opção: 1 disjuntor CC (maior custo) Utiliza-se ressonância o Opção: disjuntor híbrido o Utilizado em HVDC Utiliza-se interruptores eletrônicos 49

50 Relé eletrônico contra sobrecarga Configuração 50 50

51 Relé eletrônico contra sobrecarga 51 51

52 Relé eletrônico contra sobrecarga 52 52

53 Relé eletrônico contra sobrecarga Vantagens Velocidade Confiabilidade Flexibilidade Custo competitivo Multifuncionalidade Sem arco elétrico Sem oscilações transitórias Sem ruído audível Baixo consumo Facilidade de inclusão de comunicação Altas perdas em condução 53 53

54 Disjuntor híbrido 54 54

55 Disjuntor híbrido 55 55

56 Disjuntor híbrido 56 56

57 Disjuntor híbrido com comutação forçada 57 57

58 Disjuntor híbrido com comutação forçada 58 58

59 Disjuntor híbrido com snubber 59 59

60 Disjuntor híbrido com snubber 60 60

61 Disjuntor híbrido com snubber 61 61

62 Disjuntor eletrônico 62 62

63 Disjuntor eletrônico 63 63

64 Comparação 64 64

65 Comparação 65 65

66 Comparação Custos em k 66 66

67 Disjuntor híbrido sem arco 67 67

68 Disjuntor híbrido sem arco Snubber! 68 68

69 Disjuntor híbrido sem arco Desempenho 100 ka 30 kv 100 vezes menor que outras opções Vários detalhes por resolver 69 69

70 Disjuntor híbrido 70 70

71 Disjuntor híbrido 71 71

72 Disjuntor híbrido 72 72

73 Disjuntor híbrido 73 73

74 Disjuntor híbrido 74 74

75 Disjuntor eletrônico 75 75

76 Disjuntor eletrônico 76 76

77 Disjuntor eletrônico Comparação de dispositivos 77 77

78 Disjuntor eletrônico Configurações para altas tensões 78 78

79 Disjuntor eletrônico Aplicação em MT Coordenação I: 100 ms II: 500 ms III: 1,0 s IV: 1,5 s.: não se pode abrir IV ou III muito rápido Alternativa: Limitação de corrente 79 79

80 Disjuntor eletrônico Aplicação em MT Coordenação I: 100 ms II: 500 ms III: 1,0 s IV: 1,5 s.: não se pode abrir IV ou III muito rápido Alternativa: Limitação de corrente Com L, C ou LC 80 80

81 Disjuntor eletrônico 81 81

82 Disjuntor eletrônico 82 82

83 Disjuntor eletrônico 83 83

84 Disjuntor eletrônico 84 84

85 Disjuntor eletrônico 85 85