SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GRUPO DE ESTUDO PROTEÇÃO, MEDIÇÃO E CONTROLE EM SISTEMAS DE POTÊNCIA

Transcrição

1 SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GPC a 17 Outubro de 2007 Rio de Janeiro RJ GRUPO V GRUPO DE ESTUDO PROTEÇÃO, MEDIÇÃO E CONTROLE EM SISTEMAS DE POTÊNCIA EXPERIÊNCIA DE FURNAS NA ELABORAÇÃO DAS ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS, ESTUDO DE APLICAÇÃO E TESTES DE MODELO NO SIMULADOR EM TEMPO REAL (RTDS) PARA MODERNIZAÇÃO DAS PROTEÇÕES DE LINHA DE 765kV Júlio C. Dufrayer Roberto C. Li ma Erasmo Moreira FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. Denys Lellys* AREVA T&D Brasil Daniela Vidal AREVA T&D Stafford, U.K. RESUMO O artigo relata a experiência de FURNAS na elaboração das especificações técnicas e estudos de aplicação, em conjunto com o fabricante, e ensaios de modelo realizados, visando definir a melhor solução técnica para modernização das proteções de linha convencionais, em operação, de 765 kv, por novos sistemas de proteção com tecnologia digital. O escopo básico do empreendimento abrange a modernização das proteções de linhas de 765 KV das subestações de Foz do Iguaçu, Ivaiporã, Itaberá e Tijuco Preto, especificamente, as proteções convencionais das linhas de Foz do Iguaçu Ivaiporã circuitos 1, 2 e 3; Ivaiporã Itaberá circuitos 1, 2 e 3 e Itaberá Tijuco Preto circuitos 1 e 2. Adicionalmente, são fornecidos, nas especificações, todos os dados do sistema de proteção e controle convencional existentes, bem como os critérios a serem seguidos de acordo com o padrão de FURNAS e requisitos dos procedimentos de redes, conforme diretrizes do operador nacional do sistema O.N.S. PALAVRASCHAVE Especificações, Retrofit, RTDS, Superposição, Compensação série. 1.0 INTRODUÇÃO O sistema de transmissão de 765kV de FURNAS é composto de acordo com a Figura 1, o mesmo possuía proteção estática em operação há cerca de quase 30 anos e no ano de 2005 foi definido pela empresa a sua substituição ( retrofit ) devido aos seguintes fatores: fim de vida útil, inexistência de sobressalentes para manutenção corretiva e encerramento de garantias dos fabricantes. (*) Av. Interlagos, 4211 CEP , São Paulo, SP Brasil Tel: (+55 11) Fax: (+55 11) dlellys@nlink.com.br

2 2 Foz do Iguaçu Ivaiporã Itaberá Tijuco Preto # 1 322km # 1 265km # 1 305km # 2 323km # 2 264km # 2 304km # 3 339km # 3 272km m m # 3 312km Figura 1: Sistema Furnas 765kV As especificações técnicas foram desenvolvidas considerando os seguintes requisitos: velocidade de atuação, sensibilidade, seletividade e confiabilidade. Uma vez que as mesmas serão aplicadas na rede básica, em linhas importantes às quais transmitem energia ao pólo industrial e consumidor mais importante do país, São Paulo, saindo da maior hidrelétrica em operação do mundo, até o momento, Itaipu. A proteção de linha definida para esta modernização é do fabricante AREVA T&D Ltda., desenvolvida com estado atual da arte, ou seja, tecnologia digital, possuindo unidade de medição microprocessada para detecção e seleção da(s) fase(s) defeituosa(s) durante o subciclo, através da técnica de superposição das componentes delta de corrente (delta I) e de tensão (delta V), ultra rápidos e esquema lógico de comparação direcional entre os terminais ( intertripping ), permitindo atuação da proteção com tempo inferior a um ciclo. A proteção possui ainda unidades de medição para processamento do algoritmo de impedância a partir das amostras de corrente e tensão, funcionando independente e em paralelo ao algoritmo de superposição de corrente e tensão (algoritmo delta). Serão apresentados, ainda, recursos inovadores introduzidos nesta proteção, tais como a possibilidade de escolher curvas características de atuação do tipo Mho ou do tipo Quadrilateral, tanto para unidades de medidas de fases quanto para unidade de terra, bem como o algoritmo de detecção de oscilação de potência sem necessidade de definição de bandas ( blinder ) para determinação da oscilação de potência, dentro do conceito denominado pelo fabricante de ajuste livre ( setting free ), como também a possibilidade de ajustar a função de bloqueio e trip por oscilação de potência (68/78), dentro do conceito de medição da variação da impedância aparente conforme requisitos do ONS. No tocante aos testes de modelo, considerada a fase mais importante para aferição e aprovação do desempenho da proteção sob diversas condições de faltas e operação das linhas de transmissão de 765kV, com compensação série, o fabricante em conjunto com FURNAS definiu que a simulação digital seria realizada nos laboratórios de teste da AREVA em Stafford, Inglaterra, utilizando o RTDS (Real Time Digital Simulator), equipamento de simulação dinâmica para testes de relés de proteção com apresentação e aprovação prévia de documento com os critérios utilizados para definição dos circuitos os quais seriam modelados, casos de faltas os quais seriam aplicados e ajustes iniciais implementados. 2.0 ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS As especificações técnicas foram elaboradas de acordo com o padrão de FURNAS e diretrizes do operador nacional do sistema submódulos 2.5 e 10.19, sendo contemplado neste capítulo todos os requisitos técnicos contendo descrição básica, escopo detalhado do fornecimento, requisitos de proteção, requisitos construtivos dos painéis, requisitos gerais de componentes auxiliares, requisitos de projeto, ensaios, sobressalentes, treinamentos, ferramentas e acessórios. Também foi inclusa nas especificações técnicas os desenhos e diagramas dos sistemas de proteção e controle convencionais de modo que o fabricante pudesse ter uma visão dos esquemas existentes e integrar o novo sistema de proteção aos sistemas que ainda permanecerão em operação (ex. sistema de controle local, sistemas SCADA).

3 3 Dentre as exigências mais importantes das especificações técnicas, serão destacadas, a seguir, as principais características contempladas no item de requisitos de proteção: Para as linhas de 765kV o tempo total de eliminação de faltas será de 80ms, considerando que os demais tempos envolvidos (tempo de abertura de disjuntores de 3ms e tempo de transmissão de sinal de 15ms) deverão ser atendidos. Realização de testes de modelo em simulador em tempo real (RTDS); Esquema de religamento monopolar automático de alta velocidade programado para realizar um ciclo de religamento ou uma tentativa. Todas as linhas de 765kV devem ser protegidas por dois esquemas de proteção de alta velocidade, denominados de "principal e "alternada", idênticos. Estes esquemas irão operar em sistemas de telecomunicação independentes. É prevista uma unidade de bloqueio contra oscilações amortecidas no sistema, fazendo o bloqueio independente por zona de proteção e uma unidade de desligamento por perda de sincronismo (outof steptripping). Possuir proteção direcional de sobrecorrente de terra, associada ao esquema de teleproteção, para os casos de curto circuitos com alta resistência de defeito. Para as linhas de transmissão equipadas com banco de capacitores série fixo (CS) ou controlado por tiristores (TCSC) o sistema de proteção deve ser imune a reversão de tensão ou de corrente durante curtocircuito na linha compensada ou na linha adjacente; Atuação ou não de páraraios com gap ou varistor ZnO; Crescimento lento da corrente de curtocircuito. As linhas de 765kV devem possuir esquemas de proteção contra rejeição de carga através das seguintes funções de proteção: Sobrefreqüência (81O); Subfreqüência (81U); Sobretensão (59) e Sobrecorrente (50 BD). Esquema de teleproteção híbrido com POTT, com lógica de UNBLOCKING, quando utilizado CARRIER e utilização da função DUTT (Direct Underreach Transfer Trip). Proteções de sobretensão instantânea e temporizada para cada terminal de linha. Localizador de Faltas Transitórias para cada terminal de proteção de linha permanentemente supervisionando a linha. Os sistemas de proteção devem ter uma interface de comunicação, que possibilite o acesso (consulta e modificações) a sua parametrização, a aquisição dos dados associados a seu estado (memória cheia, número de registros, disparo da proteção, alarmes, etc.) e a coleta automática dos dados de oscilografia, no formato COMTRADE. 3.0 ESTUDO DE APLICAÇÃO DA PROTEÇÃO A proteção escolhida para esta aplicação é do fabricante AREVA T&D desenvolvida com estado atual da arte, ou seja, tecnologia digital para proteção de linha de transmissão de até 800kV, com tempo de atuação inferior a um ciclo, possuindo as seguintes funções principais: Proteção de distância de fases e terra (21/21N); Comparação direcional por componentes delta ( I/ V); Proteção de sobrecorrente direcional de terra (67N); Proteção de sobrecorrente de fases e terra (50/ /51N); Proteção de sobretensão/subtensão (59/27); Esquemas lógicos de teleproteção (85); Esquema de religamento automático mono/tripolar (79); Esquema lógico programável gráfico; Localizador de faltas. 3.1 Proteção de Distância A proteção de distância possui cinco zonas de proteção, como mostrado na Figura 2, permitindo a seleção de curvas com características tipo MHO e quadrilateral (polígono) a ser selecionado independentemente para a

4 4 proteção de faltas entre fasefase e proteção de distância para faltas faseterra. Esta característica permite cobrir ajustes tanto para as proteções convencionais que utilizam característica tipo MHO como para proteções que utilizam curva quadrilateral do sistema de FURNAS. Figura 2: Característica Mho e Característica Quadrilateral (Poligonal) A característica MHO usa os princípios convencionais já adotados e conhecidos nos relés eletromecânicos para prover expansão dinâmica para faltas fora do ângulo característico. As características quadrilaterais permitem uma maior cobertura contra faltas a terra com alta impedância e ainda possui uma técnica adaptável para inclinar a linha de alcance da reatância de cada zona e eliminar os efeitos de subalcance ou sobrealcance devido ao fluxo de carga préfalta. 3.2 Superposição de Componentes Delta Para detecção da falta é utilizada a técnica de superposição de componentes delta ( I/ V) a qual se baseia na medição das componentes transitórias durante o subciclo, sendo os valores de tensão e corrente medidos continuamente pela unidade de medição, e armazenados (últimos 02 ciclos) para comparação com os valores medidos nos ciclos seguintes. A falta é detectada se os valores armazenados de tensão e corrente, quando superpostos aos valores medidos, são diferentes, gerando valores "delta" ( V e I) diferentes de zero, conforme Figura 3. Préfalta Falta i rly = i mem + i r = Superposição Figura 3: Superposição de componentes 3.3 Seleção de Fases A seleção de fases é feita com a comparação da magnitude das correntes de fases, através da técnica de superposição (AB, BC, CA), conforme exemplo mostrado na figura 4 a seguir.

5 5 A Figura 4 apresenta como a mudança da corrente é usada para seleção de fases. No caso de uma falta monofásica (fase C, por exemplo) temse uma mudança na magnitude superposta desta corrente em dois loops de medição (BC e CA) e nenhuma mudança no loop AB, caracterizando que a falta ocorreu na fase C. Sem Mudança AB BC Mudança! CA Mudança! Janela de 2 ciclos 1 Ciclo 1 Ciclo Comparação Comparação Falta a terra, Fase C Figura 4: Seleção de fases Uma das vantagens deste método de superposição de componentes delta para seleção de fases é que ele não requer qualquer ajuste e ainda não é afetado pela magnitude da corrente de carga de préfalta. 3.4 Comparação Direcional Outro requisito muito importante é a determinação da direção da falta, ou seja, a tomada de decisão se a falta é interna ou externa à linha protegida para emissão de permissão do desligamento da linha. No caso deste relé, são usados para determinação da direção da falta os sinais de tensão ( V) e corrente ( I) sobrepostos, sendo considerada falta interna quando o cálculo de V = I x Zs for negativo, e externa quando for positivo. A partir das respectivas decisões de direção da falta (interna ou externa) tomada por cada um dos relés de cada terminal de linha e no caso de ocorrer uma falta interna, ambos relés transmitam sinal de saída para o terminal remoto através de canal de comunicação por meio óptico ou convencional, confirmando a lógica de comparação direcional e o desligamento da linha de transmissão. Este esquema permite gerar uma saída do relé com tempo de resposta mais rápida do que o esquema clássico permissivo previsto na unidade de distância. 3.5 Oscilação de Potência O relé possui ainda uma nova técnica de medição da função de bloqueio por oscilação de potência com ajuste livre (setting free), ou seja, não é necessária a determinação de bandas (blinders) para bloqueio das unidades de distância quando ocorrer swing no sistema de potência. A oscilação de potência gera uma contínua variação de corrente por um período prolongado (Figura 5), por conseguinte, produz componentes delta de corrente caracterizando uma oscilação de potência, iniciando o bloqueio das unidades de distância. Caso ocorra uma falta durante o período de swing, este bloqueio é removido para permitir o disparo do relé. I contínuo Inserção Durante oscilação da falta Desbloqueio Delta I RMS Exagerado Figura 5

6 6 Complementando a função de oscilação de potência e de acordo com os requisitos estabelecidos pelo operador nacional do sistema (ONS), para disparo por oscilação de potência, o fabricante desenvolveu um algoritmo para trip por oscilação de potência (OST out of step tripping), tomando como base o princípio de medição da variação de impedância no tempo ( Z/ T). 4.0 TESTES DE MODELO RTDS É prática de FURNAS a utilização do Simulador Digital em Tempo Real (RTDS ), pois se trata de um simulador digital de Sistemas de Potência com capacidade de operação contínua em tempo real com capacidade de interligação com equipamentos reais, permitindo aferir corretamente desempenho de relés de proteção. 4.1 Procedimento dos testes e modelagem Para realizar a simulação no RTDS, os casos foram preparados com o auxilio da interface gráfica do programa PSCAD ( Power Systems Computer Aided Design ), o qual possui bibliotecas gráficas com os diversos modelos dos elementos do sistema elétrico. O circuito foi modelado através da ligação destes modelos na área de trabalho (aplicativo DRAFT), em que são atribuídos os parâmetros dos componentes. Também foram criados circuitos seqüenciadores nos quais são definidas as seqüências de eventos a serem aplicados ao circuito. Após esta etapa, os casos são compilados, gerando arquivos em linguagem de máquina, para serem transferidos aos processadores do RTDS. 4.2 Resultados Apresentados Levandose em consideração a Figura 6, a seguir, podese verificar a posição das faltas aplicadas durantes os testes, nas linhas Foz do IguaçuIvaiporã e IvaiporãItaberá. Figura 6: Posição das faltas aplicadas 4.1 Dados gerais Os valores base tomados como referência são: S base = 100MVA; V base = 765kV; Z base = 5852Ω, 60Hz e a seqüência de fases CBA; Os transformadores de corrente foram modelados de acordo com o modelo real, relação 3000/5 e os transformadores de tensão foram modelados com a relação de 765k/115 (6600/1), considerados como ideais. A duração total das faltas aplicadas foi de 0,5s, a abertura do disjuntor de 33ms, sendo a eliminação total da falta não podendo ultrapassar 80ms (tempo do disjuntor + tempo de atuação do relé). A abertura do disjuntor requerida foi do tipo monopolar e religamento tripolar, com tempo morto de 900ms. O tempo considerado para transmissão do canal foi de 15ms. 4.2 Faltas internas com resistência normal e alta resistência Para os dois trechos de linha foram aplicadas faltas internas as mesmas, nas fases AN, AB, BCN, ABC, considerando a condição de máxima e mínima carga, point on wave nas posições de 0 e 90 para análise da pior condição de inserção da falta, e resistência de falta 0,04Ω e 20Ω, ou seja, faltas com resistência normal e com alta resistência. As faltas nas posições 0%, 25% e 50%, ou seja, Zona 1 (Z1), em todas as situações, foram eliminadas com tempos em torno de 16ms, comprovando a atuação do relé no subciclo. E as faltas nas posições 75% e 100%, ou

7 7 seja, esquema de distância através do canal (aided distance / DEF), foram eliminadas, em todas as situações, com tempos máximos em torno de 40ms. Para este sistema, a escolha da característica MHO provou ser a melhor alternativa para prevenir casos de sobrealcance durante faltas de altas resistências, somadas a condição da máxima carga. O fato de haver uma geração forte (Hidrelétrica de Itaipu) provou que a expansão da característica MHO ajustada em 86% da impedância da fonte foi suficiente para a atuação correta do relé, mesmo em condições severas. 4.3 Proteção de falta a terra direcional Os testes de proteção de falta a terra direcional (67N / aided DEF) foram aplicados em AN, nas posições 0%, 50% e 100%, nos dois trechos de linha, considerando a condição de máxima e mínima carga, point on wave nas posições de 0 e 90, e resistência de falta 40Ω e 100Ω. Os tempos obtidos foram em torno de 50ms. A proteção de 67N foi ajustada para polarização por seqüência zero, para a correta seleção de fase, através do cálculo do deslocamento da tensão do neutro 3Vo. Este ajuste é recomendado nos casos em que não há acoplamento mútuo. 4.4 Chaveamento sob falta Os casos de chaveamento sob falta, ou switch on to fault (SOFT), foram aplicados nas posições 0% e 100% dos dois trechos das linhas, para faltas em ABC e AN, na condição de máxima e mínima carga, e point on wave nas posições de 0 e 90. Os tempos obtidos foram em torno de 16ms, ou seja, operação no subciclo. 4.5 Oscilação de potência O teste de oscilação de potência, ou power swing bloquing (PSB), foi realizado com uma oscilação síncrona e um escorregamento da freqüência de 2Hz, sob condição de máxima carga. Os relés permaneceram estáveis durante a oscilação. 4.6 Faltas na linha paralela Com os dois trechos de linha em serviço, aplicaramse faltas em: Linha Foz do IguaçuIvaiporã: F6, F7, F8 (conforme figura 6), nas fases AN, AB, BCN, ABC, considerando a condição de máxima e mínima carga, point on wave nas posições de 0 e 90, e resistência de falta 0,04Ω e 20Ω. Linha IvaiporãItaberá: F5, F13, F14 (conforme figura 6), nas fases AN, AB, BCN, ABC, considerando a condição de máxima e mínima carga, point on wave nas posições de 0 e 90, e resistência de falta 0,04Ω e 20Ω. Os relés permaneceram estáveis na linha Foz do IguaçuIvaiporã para as faltas F6 e F7, e operaram corretamente após a temporização ajustada (t2 = 400ms) para falta em F8. Da mesma maneira, os relés permaneceram estáveis na linha IvaiporãItaberá para as faltas F13 e F14, e operaram corretamente após a temporização ajustada (t2 = 400ms) para falta em F Faltas na barra As faltas na barra foram aplicadas conforme a seguir: Linha Foz do IguaçuIvaiporã: FB.1e FB.2 (conforme figura 6), nas fases AN, AB, BCN, ABC, considerando a condição de máxima e mínima carga, point on wave nas posições de 0 e 90, e resistência de falta 0,04Ω e 20Ω. Linha IvaiporãItaberá: FB.2 e FB.3 (conforme figura 6), nas fases AN, AB, BCN, ABC, considerando a condição de máxima e mínima carga, point on wave nas posições de 0 e 90, e resistência de falta 0,04Ω e 20Ω. Os relés permaneceram estáveis, operando corretamente após a temporização ajustada (t2 = 400ms). No caso das faltas trifásicas (ABC) de alta resistência, em alguns testes os relés operaram em t = 300ms, após o tempo de memória ter espirado (16 ciclos = 300ms), na prática esta situação jamais poderia ocorrer, uma vez que o relé da barra ou da linha adjacente já teria atuado e eliminado a falta em uma temporização muito menor que 300ms. 4.8 Load shedding Durantes os casos de load shedding, devido à abertura de uma extremidade da linha, os relés permaneceram estáveis, tanto na mínima como na máxima geração. 4.9 Inserção do banco de capacitor série Com a linha energizada, foi incluído o banco de capacitor, após o mesmo foi retirado e reinserido. Durante o chaveamento os relés permaneceram estáveis.

8 Falta entre o banco de capacitor e a barra Aplicouse, ainda, uma falta em AN, considerando a condição de máxima e mínima carga, point on wave nas posições de 0 e 90. Os relés atuaram corretamente na fase defeituosa, no subciclo, ou seja, 16ms. 5.0 CONCLUSÃO A experiência de FURNAS em processos similares de elaboração de especificações técnicas, definição dos relés de proteção, modelagem e simulação de relés de proteções em simulador em tempo real (RTDS) permitiu desenvolver e executar as diversas fases deste empreendimento com bastante êxito. Podese destacar que os testes de modelo nos relés de proteção foram satisfatórios, os mesmos atuaram conforme requisitos de FURNAS e ONS, mostrando correta operação, principalmente no tocante a seleção de fase, rápida operação e estabilidade, sendo adequado para serem aplicados sem restrições em linhas de transmissão com compensação série de 230 a 800 kv. 6.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Product Test Specification, Issue C, ref , por Anthony Perks, Daniela Vidal, Denys Lellys. (2) Product test results MiCOM P443 RTDS dynanic tests for Furnas Brazil 765kV Foz do IguacuIvaipora Line, Issue A, ref , por Anthony Perks, Daniela Vidal. (3) Product test results MiCOM P443 RTDS dynanic tests for Furnas Brazil 765kV IvaiporaTijuco Preto Line, Issue A, ref , por Anthony Perks, Daniela Vidal. (4) MiCOMHO P443 Fast Multifunctional Distance Protection Technical data sheet, ref. P443EN M/C22, Areva T&D Stafford. (4) Engineering report Summary of P443 test results on 765kV Furnas System, ref. 150/HV0102, por Branislav Cvorovic AREVA Stafford, U.K. (5) Especificação Técnica Furnas 765kV. 7.0 DADOS BIOGRÁFICOS Daniela Vidal Nascida em São Paulo, SP, em 26 de Outubro de Graduação (1998) em Engenharia Elétrica: UNESP Empresa: AREVA T&D, desde 2001 Engenheira de Aplicação. Denys Lellys Nascido em Campina Grande, PB, em 26 de Junho de Especialização (1983) : UFPBPB e Graduação (1981) em Engenharia Elétrica: UFPBPB Empresa: AREVA T&D desde 2000 Engenheiro de Aplicação. Erasmo M. Rêgo Nascido no Rio de Janeiro, RJ em 27 de março de 1962 Graduação (1990) em Engenharia Elétrica: Rio de Janeiro Empresa: FURNAS Centrais Elétricas, desde Função: Engenheiro. Júlio C. Dufrayer Nascido no Rio de Janeiro, RJ. Graduação em Engenharia Elétrica: Rio de Janeiro Empresa: FURNAS Centrais Elétricas Função: Engenheiro Roberto C. Lima Nascido no Rio de Janeiro, RJ em 05 de outubro de Graduação (1980) em Engenharia Elétrica: Rio de Janeiro Empresa: FURNAS Centrais Elétricas, desde... Função: Gerente Divisão de Análise da Proteção DAPR.O.