Aprimorando a Localização de Faltas por Ondas Viajantes no Relé SEL-411L

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1 Aprimorando a Localização de Faltas por Ondas Viajantes no Relé SEL-411L Alex Polikoff INTRODUÇÃO O Sistema Avançado de Automação, Controle e Proteção Diferencial de Linha SEL-411L-1 fornece proteção de distância e diferencial. O sistema também inclui o recurso de captura de dados da corrente de linha com alta taxa de amostragem para permitir a Localização de Faltas por Ondas Viajantes (TWFL: Traveling Wave Fault Location ). O algoritmo TWFL baseia-se no transitório elétrico gerado após o início da falta na linha protegida. Este transitório se move em direção à localização do relé com velocidade aproximadamente igual à velocidade da luz. O relé detecta a chegada da onda recebida, efetua a respectiva estampa de tempo usando um sinal IRIG- B de alta precisão e transmite esta estampa de tempo para o relé do terminal remoto através do canal de comunicação do diferencial. Usando o comprimento da linha, a velocidade de propagação (velocidade característica de transitórios elétricos através da linha) e o comprimento do cabo secundário do transformador de corrente (TC), o relé pode calcular a localização do defeito. Este guia de aplicação demonstra como usar os dados obtidos em uma operação de fechamento do disjuntor para calcular a velocidade de propagação da onda viajante e como garantir resultados precisos do TWFL. Para calcular e reportar automaticamente a localização da falta usando TWFL, o SEL-411L-1 exige um canal de comunicação do diferencial saudável entre os dois terminais de uma linha de transmissão. Este guia mostra também como gerar uma estampa de tempo TW ( Traveling Wave Onda Viajante) para permitir o cálculo manual simples da localização da falta quando o canal de comunicação do diferencial estiver fora de serviço ou não existir. RELATÓRIO DA LOCALIZAÇÃO DA FALTA O SEL-411L-1 usa vários métodos para determinar a localização da falta, incluindo os seguintes: Onda viajante (TW: Traveling Wave ). Terminais múltiplos (ME: Multi-ended ). Terminal único (SE: Single-ended ). TWFL usa as estampas de tempo a partir dos dados das ondas viajantes e requer a existência de um canal de comunicação do diferencial saudável para reportar automaticamente a localização da falta baseada em TW. Este é o mais preciso dos três métodos. A localização de faltas com múltiplos terminais é um método baseado em impedância usado quando existe um canal de comunicação do diferencial. O relé de cada local conhece a corrente total e usa o valor da mesma como uma grandeza de polarização para obter resultados mais precisos do que o método de terminal único. A localização de faltas com terminal único é um método baseado em impedância usado quando não há nenhum canal de comunicação do diferencial entre os relés. O relé usa um algoritmo de suporte@selinc.com Pág. - 1/10

2 Takagi modificado para calcular a distância até a falta baseado nas tensões e correntes na localidade do relé. A localização da falta, reportada no sumário do evento, é uma grandeza analógica CONFLOC ( Consolidated Fault Location Localização da Falta Consolidada), que está disponível via DNP3. O método usado pelo relé para chegar a este valor é relatado no sumário do evento como FLM ( Fault Location Method Método de Localização da Falta). O método é selecionado com base na ordem mostrada anteriormente, com TW sendo a primeira prioridade. Se TW não estiver disponível, como no caso de incidência de falta na tensão zero, o localizador de falta será revertido para os métodos baseados na impedância. Começando com a Versão do firmware R111, o TWFL é reportado separadamente da localização de faltas baseada em impedância tanto no sumário do evento quanto no cabeçalho do arquivo TW (arquivo COMTRADE [ Common Format for Transient Data Exchange ] com um nome de arquivo de *****TW.HDR). A indicação desta grandeza em milhas ou em quilômetros depende do ajuste do usuário em LLUNIT ( Line Length Units Unidades do Comprimento da Linha). A existência dos itens abaixo em uma linha de transmissão protegida não deve impedir o uso de ondas viajantes para localização de faltas: Alteração da bitola e/ou espaçamento dos condutores. Alteração na configuração da torre. Transposição de condutores. Linhas com derivação. Capacitores em série (passam frequências altas). Como o relé usa a estampa de tempo da frente de onda da falta inicial, as reflexões de transformadores em derivação ou linhas adjacentes não interferem na distância reportada por TWFL. No entanto, a variação das características elétricas através de uma linha protegida impacta na velocidade de propagação. Este valor não varia muito, mas pode levar a um erro adicional de 1% ou 2% na estimação da distância da localização da falta. TWFL não pode ser aplicado em linhas de transmissão com transformadores em série ( in-line ) (grupo de ajuste E87XFMR = Y) porque a onda é atenuada pelo transformador de potência. Atualmente, TWFL pode apenas ser calculado automaticamente pelo SEL-411L-1 quando aplicado em linhas de dois terminais. Como um sinal IRIG-B de alta precisão tem de estar presente para gerar as necessárias estampas de tempo para TWFL com duas extremidades, verifique se o Relay Word bit TSOK está habilitado (nível lógico 1) em ambos os terminais do relé através da emissão do comando serial TAR TSOK. AJUSTES DE TWFL Primeiro, verifique se ambos EFLOC e ETWFL estão ajustados em Y nos Ajustes de Configuração do Relé ( Relay Configuration Settings ). A seguir, são apresentados três ajustes críticos associados com TWFL: TWLL comprimento da linha de transmissão (em milhas ou quilômetros, com base no ajuste LLUNIT). suporte@selinc.com Pág. - 2/10

3 SCBL comprimento do cabo secundário do TC (em metros ou jardas, com base no ajuste LLUNIT). LPVEL velocidade de propagação da linha (em por unidade da velocidade da luz). Dos três, a velocidade de propagação da linha é geralmente o ajuste mais difícil de determinar. A maneira como uma frente de onda se propaga através da linha de transmissão depende da capacitância shunt e da indutância série da linha. Começando com a Versão do firmware R111, o recurso de onda viajante pode usar tanto o conjunto de entradas de correntes trifásicas quanto as entradas de correntes combinadas. Para um desempenho adequado, certifique-se de que os comprimentos dos cabos secundários sejam iguais se estiver usando ambos os conjuntos de entradas de corrente. DETERMINANDO A VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DA LINHA A velocidade de propagação de uma linha de transmissão é determinada pela impedância característica da linha, 1 LC. O valor default para LPVEL é um bom ponto de partida, mas qualquer erro afeta a precisão da localização da falta, especialmente em linhas de transmissão longas. Se o comprimento da linha for conhecido, este valor pode ser determinado experimentalmente. Determinando a Velocidade de Propagação a Partir da Energização da Linha O melhor método para determinação da velocidade de propagação de uma linha consiste em fechar um disjuntor sobre uma linha desenergizada e gerar um relatório TW da operação. Para capturar um evento TW do fechamento do disjuntor, inclua o dropout dos Relay Word bits do detector de fase aberta na equação lógica do Relatório de Evento ER dos ajustes do relé no terminal usado para energizar a linha, conforme indicado a seguir: ER =.. OR F_TRIG LOPHA OR F_TRIG LOPHB OR F_TRIG LOPHC Este método funciona para todas as versões de firmware do SEL-411L-1. Lembre-se de remover esses elementos da equação lógica após o relatório de evento desejado ter sido coletado para que o buffer de eventos não fique indesejavelmente cheio com eventos do fechamento do disjuntor sob condições normais do sistema. Uma vez que o evento TW tenha sido coletado do relé, analise a oscilografia para determinar a estampa de tempo do pico mais alto registrado no evento de fechamento. Observe que os transitórios são vistos em todas as três fases simultaneamente devido ao acoplamento eletromagnético. Este é o motivo pelo qual a maior magnitude da corrente é usada para determinar a fase de início, quer seja de polaridade positiva ou negativa. Olhando mais detalhadamente na linha do tempo desta mesma fase, registre o tempo de chegada da reflexão proveniente do disjuntor aberto no terminal remoto. Um evento TW de energização da linha é mostrado na Figura 1. suporte@selinc.com Pág. - 3/10

4 Figura 1 Ondas Viajantes Durante a Energização da linha Observe que uma onda viajante é gerada nas outras fases sempre que um polo do disjuntor é fechado. Isto é devido ao acoplamento entre as fases, e é por isso que o transitório máximo deve ser usado para determinar em qual fase iniciou o evento. Se houver derivações na linha, reflexões serão geradas a partir das mesmas, possivelmente confundindo os resultados. Um bom método para distinguir a reflexão do disjuntor de outras devidas às derivações na linha consiste em observar se a onda refletida do disjuntor aparece com polaridade oposta à frente de onda inicial. Ampliando as ondas da Fase B da Figura 1, pode-se observar que a onda inicial é aquela que contém um elevado pico negativo indicado na Figura 2. Figura 2 Pico da Onda Inicial na Fase B Durante a Energização da Linha suporte@selinc.com Pág. - 4/10

5 A onda refletida proveniente do disjuntor aberto no terminal remoto mostra a polaridade oposta na Figura 3. Figura 3 Reflexão da Onda Proveniente do Disjuntor Aberto no Terminal Remoto Se ocorrerem múltiplas reflexões de onda, pode-se usar o valor default de 0,98 do LPVEL para calcular um tempo estimado da chegada da reflexão do disjuntor baseado no comprimento conhecido da linha. Isto deve permitir uma seleção correta da reflexão de onda apropriada para ser usada como uma estampa de tempo. Uma vez que os tempos tenham sido estabelecidos, o ajuste da velocidade de propagação da linha pode ser simplesmente determinado por (1). onde: T 1 = tempo da frente de onda inicial. LPVEL 2 TWLL (T T ) c 2 1 T 2 = tempo da onda refletida a partir do terminal remoto. TWLL = comprimento da linha. c = velocidade da luz (299792,458 quilômetros por segundo ou ,397 milhas por segundo baseada no ajuste LLUNIT). Se relatórios de evento TW estiverem disponíveis a partir de múltiplas energizações da linha, calcule a média dos valores resultantes da velocidade de propagação da linha antes de introduzilos como um ajuste no relé. (1) suporte@selinc.com Pág. - 5/10

6 Determinando a Velocidade de Propagação da Linha a Partir do Relatório de Falta Se os relatórios de evento de uma energização de linha não estiverem disponíveis, é possível determinar a velocidade de propagação a partir da análise de um relatório de falta TW de apenas uma extremidade. A onda inicial reflete de volta a partir do terminal remoto, e as duas estampas de tempo podem ser usadas como mostrado em (2). onde: 2 TWLL LPVEL (2) T T c 1 2 ΔT 1 = tempo entre a onda inicial e a reflexão a partir do local da falta. ΔT 2 = tempo entre a onda inicial e a reflexão a partir do disjuntor do terminal remoto. TWLL = comprimento da linha. c = velocidade da luz (299792,458 quilômetros por segundo ou ,397 milhas por segundo baseada no ajuste LLUNIT). Este método usado para determinar a velocidade de propagação é geralmente muito mais difícil do que o uso da energização da linha. Se houver qualquer derivação da linha ou linhas adjacentes que sejam de comprimento mais curto, são geradas reflexões que precisam ser desconsideradas na determinação do transitório real refletido a partir do terminal remoto. USANDO TWFL SEM UM CANAL DE COMUNICAÇÃO DO DIFERENCIAL Conforme mencionado anteriormente, o SEL-411L-1 usa um canal de comunicação do diferencial para trocar as estampas de tempo de uma onda viajante gerada por uma falta com a finalidade de informar a localização do defeito. Se o relé estiver em operação, mas não houver nenhum canal do diferencial instalado (ou o canal está fora de serviço por qualquer razão, sem um canal de backup disponível), a localização da falta ainda pode ser determinada através de cálculo manual. Gerando a Estampa de Tempo de uma Onda Viajante O SEL-411L-1 gera um relatório de evento TW sempre que um relatório de evento padrão for gerado e o salva em memória não-volátil. Isso ocorre na declaração do trip ou da equação lógica ER, bem como na emissão do comando de disparo serial. As condições que têm de ser atendidas para que o SEL-411L-1 gere um tempo de chegada de TW para aquele relatório de evento no arquivo cabeçalho do COMTRADE de TW dependem da versão de firmware. Para as Versões do firmware R108 e R110, o Relay Word bit 87OP ou COMPRM têm de ser habilitados. Se o canal de comunicação do diferencial não estiver presente, o 87OP nunca será habilitado e COMPRM tem de ser usado. A maneira mais simples para garantir a geração do tempo de chegada de TW consiste em copiar todas as lógicas da equação lógica TR dentro da equação lógica DT. Este acoplamento direto entre a lógica incorporada ( hard-coded ) no processamento do algoritmo TWFL limita a flexibilidade. Recomenda-se atualizar o firmware mais antigo do SEL-411L-1 para aproveitar as vantagens da geração de estampas de tempo separadas e outras melhorias, tal como maior faixa de frequências amostradas. suporte@selinc.com Pág. - 6/10

7 Para a Versão do firmware R111 e posterior, a equação de controle SELOGIC TWFLIF (ajuste do relé) tem que habilitar o nível lógico 1. Por default, o relé somente gera uma estampa de tempo TW quando ocorre trip do relé, mas este ajuste pode ser modificado para gerar uma estampa de tempo TW para qualquer condição desejada. Verifique se todos os elementos de TWFLIF estão incluídos nas equações lógicas ER ou TR para garantir que um relatório TW seja produzido. Existem algumas verificações adicionais que precisam ser concluídas antes do cálculo de uma estampa de tempo, sendo que a mais importante destas verificações é a disponibilidade de um sinal de tempo IRIG-B de alta precisão (verificado pelo status do Relay Word bit TSOK= 1). Consulte o Manual de Instrução do SEL-411L-1, disponível para download em para obter informações mais detalhadas. Calculando a Localização da Falta Se estiver usando a estampa de tempo gerada pelos relés do arquivo cabeçalho do COMTRADE de TW, certifique-se de que a fase apropriada tenha sido selecionada no arquivo de cabeçalho de ambos os relés. Lembre-se que os transitórios são gerados em todas as três fases, mesmo para uma falta fase-terra, devido ao acoplamento eletromagnético entre as fases. Se o relé não gerar uma estampa de tempo da onda viajante, é preciso usar a oscilografia dos relatórios de evento TW para determinar o tempo de chegada da onda. Sempre escolha a fase que está exibindo o pico de onda com a maior amplitude porque este normalmente corresponde à fase defeituosa real. A Figura 4 mostra um relatório TW para uma falta da fase C para a terra. Figura 4 Oscilografia de TW da Fase C para a Terra Observe que no arquivo de cabeçalho do evento (Figura 5), o relé seleciona o tempo de chegada da onda da Fase C com defeito, mesmo que o tempo da fase B seja ligeiramente anterior. TWSPL indica a fase selecionada pelo algoritmo TWFL, com 1, 2 e 3 correspondentes às fases A, B e C, respectivamente. suporte@selinc.com Pág. - 7/10

8 Figura 5 Arquivo de Cabeçalho da Onda Viajante da Fase C para a Terra Localização de Faltas com Dois Terminais Se as estampas de tempo TW estiverem disponíveis em ambos os relés, o cálculo da localização da falta é o mesmo que o usado pelo algoritmo TWFL do relé em (3). onde: TWLL Twave1 Twave 2 LPVEL c TWFL (3) 2 Twave 1 = tempo da frente de onda inicial no terminal local. Twave 2 = tempo da frente de onda inicial no terminal remoto. TWLL = comprimento da linha. c = velocidade da luz (299792,458 quilômetros por segundo ou ,397 milhas por segundo baseada no ajuste LLUNIT). LPVEL = velocidade de propagação da linha (em por unidade da velocidade da luz). Localização de Faltas com Terminal Único Se apenas um terminal gerar um relatório de evento TW, ainda é possível determinar a localização da falta. Uma vez que a onda inicial tenha atingido o terminal onde o relé está localizado, a onda reflete de volta para o local da falta. Como o ponto da falta atua como uma descontinuidade, a onda é refletida de volta para a localização do relé. Pode ser uma tarefa desafiadora encontrar a correta reflexão da onda porque provavelmente ocorrerão múltiplas reflexões de onda a partir das linhas adjacentes, dos transformadores próximos, e assim por diante. Como o relé não está capacitado para estimar a localização da falta usando TWs de ambos os terminais da linha, ele retorna para a localização de faltas baseada em impedância. Embora este método não seja tão preciso, a localização de faltas baseada em impedância pode ser multiplicada pela velocidade de propagação da linha para estimar qual deve ser o tempo de chegada da onda. Este tempo pode ser usado para distinguir entre as reflexões de onda do relatório TW e para determinar o tempo exato da onda refletida de volta da falta. Uma vez que o tempo da onda refletida tenha sido determinado, a localização da falta é simplesmente determinada através da equação (4). onde: suporte@selinc.com Pág. - 8/10 Twave1 Twave 2 TWFL LPVEL (4) 2

9 Twave 1 = tempo da onda inicial. Twave 2 = tempo da onda refletida a partir da localização da falta. OUTRAS APLICAÇÕES POTENCIAIS Os relatórios de eventos de ondas viajantes podem ser gerados independentemente de eventos de falta usando a equação lógica ER. Isso possibilita aplicações potenciais além da tradicional localização de faltas. A seguir são apresentados alguns exemplos: Captura de transitórios associados à separação de contatos do disjuntor. A alta resolução dos relatórios TW pode esclarecer um potencial reacendimento ( restrike ) dentro do disjuntor. Determinação mais precisa do tempo de fechamento real do disjuntor, assim como de polo Scatter do disjuntor. Isto pode ser crítico em relação aos ajustes para controle do disjuntor baseado no point-on-wave em aplicações de extra-alta tensão (EHV: Extra- High Voltage ). Detecção de um condutor rompido sob condições de carga baixa quando as tensões e correntes de sequência não estão presentes com magnitudes suficientes para permitir os métodos de detecção tradicionais. Detecção de faltas incipientes. A análise de eventos de ondas viajantes gerados sem que haja um relatório de evento gerado por uma falta simultânea pode levar à detecção precoce de problemas, tais como o trilhamento elétrico ( tracking ) dos isoladores da linha. Ao usar TWFL para outras aplicações, tenha em mente a curta janela de tempo do relatório TW COMTRADE. Relés com a Versão do firmware R111 e posterior capturam um total de 7,5 milissegundos de dados. Considere este fato ao determinar quando e como disparar eventos TW. O SEL-411L-1 armazena aproximadamente 20 relatórios de evento de ondas viajantes independentemente da taxa de amostragem do relé (ajuste do relatório SRATE) e da extensão do relatório de evento (ajuste do relatório LER). Com ajustes mais baixos de SRATE e LER, é possível que os relatórios de evento TW sejam sobrescritos antes que os eventos padrão o sejam. Lembre-se de recuperar os dados do evento em tempo hábil para evitar a perda de informações valiosas. A coleta automática de eventos é incentivada para minimizar esta possibilidade. Para facilitar a solução de problemas de quaisquer questões sobre a localização de faltas por ondas viajantes, é aconselhável incluir todos os Relay Word bits associados nos ajustes digitais do relatório de evento. Estes incluem TWREC, TWRTV, TWPOST, TWWAIT, TWFLIF, FLTINT, TSOK e DDTO. CONCLUSÃO A localização de faltas fornecida pelos relés da linha de transmissão tem sido inestimável para ajudar a reduzir os tempos de interrupção de energia e aumentar a confiabilidade do sistema global durante décadas. Infelizmente, fatores como a resistência de falta, acoplamento mútuo, infeed e capacitância série podem afetar a precisão da localização de faltas baseada na impedância tradicional. O método TWFL não está sujeito a estas restrições e pode resultar em precisão e confiabilidade muito maiores do que os métodos de localização de falta tradicionais. Além disso, também tem potencial para produzir informações muito além da localização de faltas. A exploração de aplicações inovadoras desta tecnologia é incentivada. suporte@selinc.com Pág. - 9/10

10 ASSISTÊNCIA DA FÁBRICA Apreciamos o seu interesse nos produtos e serviços da SEL. Se houver qualquer dúvida ou comentário, por favor, entre em contato com: Schweitzer Engineering Laboratories, Comercial Ltda. Rodovia SP 340 Campinas / Mogi Mirim, km 118,5 Prédio 11 Campinas / SP CEP: Tel: (19) Suporte Técnico SEL HOTLINE Tel: (19) suporte@selinc.com suporte@selinc.com suporte@selinc.com Pág. - 10/10