GRUPO DE ESTUDO DE PROTEÇÃO, MEDIÇÃO E CONTROLE EM SISTEMAS DE POTÊNCIA GPC

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1 GPC/ a 26 de Outubro de 2001 Campinas - São Paulo - Brasil GRUPO V GRUPO DE ESTUDO DE PROTEÇÃO, MEDIÇÃO E CONTROLE EM SISTEMAS DE POTÊNCIA GPC EXPERIÊNCIAS DE IMPLANTAÇÃO DA PROTEÇÃO NUMÉRICA DIFERENCIAL ADAPTATIVA DE BARRAS EM SUBESTAÇÕES EM OPERAÇÃO RESUMO Jorge Oura CESP Ricardo de Azevedo Dutra Lucio de Carvalho Neves FURNAS O objetivo deste trabalho é apresentar, essencialmente, as estratégias e experiências que foram adotadas nas implantações, ampliações e substituições (retrofit) das proteções numéricas diferenciais adaptativas de barras, em subestações e usinas em operação no sistema EHV, realizadas nos últimos 3 anos no Brasil. O trabalho também apresenta as adequações que foram realizadas em conjunto com as concessionárias, para atender as necessidades complementares dos esquemas de proteção diferencial de barras e contra falha de disjuntores, que antes não eram atendidas pelas proteções convencionais e que agora se faz possível com as novas proteções numéricas de barras. PALAVRAS-CHAVE: Proteção de Barras, Proteção Diferencial, Proteção Adaptativa, Retrofit Haraldo Carpinetti CTEEP Fernanda Sandri Câmara Ivan Calvente SIEMENS subestação. A proteção de barras precisou, portanto, sofrer uma ampliação de hardware para poder incluir este novo vão. Como a proteção de barras da Usina de Corumbá foi fornecida para a configuração definitiva desta usina, considerando 3 vãos futuros, havia a disponibilidade de hardware que poderia, temporariamente, atender a ampliação não prevista da SE Samambaia. Esta operação foi realizada com a usina e a subestação energizadas, como será descrita nos próximos ítens. As proteções até o momento mencionadas possuíam a arquitetura centralizada (7SS50), onde os sinais de entrada referentes a cada vão alimentavam os cartões digitais concentrados em um só painel, conforme pode ser visto na Figura 1. Todo o processamento dos algorítmos, sinalização e envios de comando também estavam centralizadas neste mesmo painel. 1.0 INTRODUÇÃO Em março de 1998 foi colocada em operação a primeira proteção numérica diferencial adaptativa de barras de FURNAS na SE Samambaia 345 kv, do tipo 7SS5 da SIEMENS. Alguns meses depois, a proteção estática diferencial de barras da Usina de Corumbá, de FURNAS, foi substituída pela mesma proteção digital, 7SS5, já estando esta usina em operação há cerca de 2 anos. Mais alguns meses, entrou também em operação a proteção digital do mesmo tipo no barramento de 500 kv da Usina de Serra da Mesa, também de FURNAS. No final de 1999, devido a uma expansão através da interligação Norte-Sul, em 500 kv, a partir da SE Samambaia, num percurso com compensação série de mais de 1200 km, estudos de sistema indicaram a necessidade de um vão de um banco de capacitores no setor 345 kv que não havia sido previsto inicialmente, inclusive para a proteção de barras desta FIGURA 1 : Arquitetura Centralizada. Em agosto de 2000, após um completo teste de modelo realizado na fábrica da Alemanha, com um simulador digital, foi colocada em operação, nos barramentos de 440 kv das Usinas de Ilha Solteira e Autor responsável : Ricardo de Azevedo Dutra Rua Real Grandeza, Rio de Janeiro CEP : Tel. : (021) Fax.: (021) radutra@furnas.com.br

2 2 Jupiá da CESP/CTEEP, a nova versão desta proteção numérica diferencial adaptativa de barras, desta vez utilizando-se o modelo 7SS5 de arquitetura descentralizada (7SS52). Estas proteções vieram substituir proteções de outras tecnologias e todo o processo foi realizado com estas usinas também em operação através de um cuidadoso processo de retrofit que não havia sido anteriormente experimentado. No final de 2000, outro empreendimento de retrofit foi realizado no barramento de 765 kv da Subestação de Itaberá de FURNAS, substituindo uma proteção de barras existente pela nova proteção numérica diferencial adaptativa da SIEMENS, 7SS52. Durante este ano de 2001, duas outras proteções digitais de barra deste novo modelo descentralizado, 7SS52, estão sendo instaladas nas subestações de Angra e de Samambaia-138 kv, de FURNAS. A experiência desenvolvida pela SIEMENS em conjunto com as concessionárias CESP, CTEEP e FURNAS, nas Usinas de Ilha Solteira, Jupiá e Corumbá, e nas Subestações de Itaberá e Samambaia por exemplo, serão descritas por seus principais aspectos, que foram elaborados a partir de um conhecimento minucioso dos aspectos funcionais das proteções e das características operacionais dos barramentos onde foram aplicadas. Os resultados obtidos são relacionados ao longo do trabalho, para cada empreendimento, ressaltando-se aqueles que podem ser generalizados. proteção seja adaptativa a qualquer configuração, os estados das isoladoras seletoras de barra são informados a proteção através de seus contatos auxiliares. Desta forma a proteção processa as informações de corrente de cada seção de barra independentemente, avaliando se a falta é interna ou externa a cada seção. As unidades de bay recebem os sinais analógicos de corrente dos TC s de cada vão, e os enviam, em forma digital e sincronizada, juntamente com os sinais lógicos relativos aos estados e comandos de disjuntores e chaves seccionadoras, para a unidade central através de fibra-ótica. A arquitetura de montagem pode ser centralizada, com todas as unidades no mesmo painel ou conjunto de painéis, como foram os casos de Ilha Solteira, Corumbá, Samambaia-345 kv, Itaberá e Serra da Mesa, ou descentralizada, como foram os casos de Jupiá, Angra e Samambaia-138 kv, quando as unidades de bay são montadas distribuídas nos painéis de proteção correspondentes a cada vão. Estas arquiteturas permitem uma imensa redução na quantidade de cabos de uma instalação, uma vez que as unidades de bay são ligadas a unidade central através de fibraótica, enviando a ela todas as informações lógicas e analógicas de cada vão. Ver Figura 2. O processo de implantação deste sistema de proteção é fortemente facilitado por estas arquiteturas, não só em novas instalações como em subestações existentes CARACTERÍSTICAS DA PROTEÇÃO O sistema de proteção 7SS5 da Siemens é uma proteção digital adaptativa (seletiva) para curtocircuitos internos em barras e contra falha de seus disjuntores e foi concebida de forma a permitir a sua aplicação em barramentos que operem em praticamente qualquer configuração de até 4 barras, com até 12 seções de barra, e com até 48 vãos de MV até EHV Hardware (equipamentos/dispositivos) : Este sistema de proteção (7SS52) é composto de uma unidade central e uma unidade de bay para cada vão, permitindo a instalação através de uma arquitetura descentralizada, ou seja, com suas unidades distribuídas nos painéis de proteção existentes em cada vãos, ficando suas zonas de operação limitadas fisicamente pela posição dos TC s utilizados para esta função. Tem sido usual o fornecimento da unidade central em um painel específico, onde também são instaladas as unidades de bay de vãos futuros e as unidades de bay dos disjuntores acopladores, de transferência e dos seccionamentos de barra, quando aplicáveis. Esta proteção utiliza o princípio de processamento por fase, ou seja, cada fase é medida independentemente em seus processadores, e sua funcionalidade é seletiva por cada seção de barra configurada, emitindo comando de disparo apenas aos vãos que estão conectados a seção de barra sob falta. Para que a FIGURA 2 : Arquitetura Descentralizada. A função de proteção diferencial é do tipo percentual, de baixa impedância, permitindo flexibilidade de ajustes para acomodação das condições de falta interna e externa em sua característica de operação. Na Figura 3 a seguir, podem ser observados numa curva característica exemplo pontos típicos de uma falta interna (sem saturação de TC s) e de uma falta externa ou condição de carga, supondo uma inclinação (slope) de 80 % e um ajuste de corrente diferencial mínima (offset).

3 Software / Parametrização : FIGURA 3 : Curva característica de operação. A função de proteção contra falha de disjuntores utiliza o imagem (réplica) dos estados de todas as chaves seccionadoras seletoras de barra configuradas na proteção diferencial para a tomada de decisão quanto aos comandos de disparo e envio de transferências de disparo. Ver Figura 4. FIGURA 4 : Imagem (réplica) de cada vão. Além deste recurso, as informações de corrente também são tratadas por esta proteção BF independentemente da proteção de barras, ou seja, com ajustes independentes, inclusive os relativos ao offset e a inclinação da curva característica. O sistema de proteção 7SS52 possui 3 algorítmos de processamento para maior confiabilidade do sistema. O primeiro deles, chamado de algorítmo rápido, permite o disparo em cerca de 3 mseg., para prevenir quanto a possível saturação de TC s. Este recurso torna esta proteção extremamente rápida, mesmo em condições não raras de saturação dos TC s utilizados na malha diferencial. Depois deste algorítmo, é acionado o algorítmo de regime de operação normal e, adicionalmente, a proteção possui o algorítmo de segurança, que divide as amostras de medição em processadores diferentes, para maior confiabilidade de atuação. O programa de comunicação com o sistema de proteção, para parametrização e leituras operacionais, oscilográficas e de eventos é o DIGSI, a ser utilizado em um computador com o sistema operacional windows3.1 ou superior, através de um cabo conectado a uma porta serial RS232 frontal dos relés, sendo que a unidade central utiliza a versão DOS DIGSI 2.93 e as unidades de bay a versão WIN DIGSI Ver Figura 5. Esta proteção permite a seleção entre 6 diferentes esquemas de proteção contra falha de disjuntores, de FIGURA 5 : Comunicação IHM. acordo com os critérios da concessionária. Adicionalmente, pode ser utilizado o critério de proteção sem corrente, isto é, esquema de proteção contra falha de disjuntor comandada por proteção contra faltas incipientes, ou seja, faltas que não apresentam necessariamente corrente acima do nível de supervisão de corrente (50BF), como por exemplo as atuações do relé Bucholzz. Este novo critério foi desenvolvido pela SIEMENS para atender as necessidades especificadas pelas concessionárias. Além das funções usuais anteriormente mencionadas da proteção diferencial de barras e da proteção contra falha de disjuntores, esta proteção apresenta ainda alguns recursos especiais muito importantes, como por exemplo os relacionados a falha dos disjuntores acopladores de barras, faltas na zona morta (entre os TC s e o disjuntor, ou seja, faltas em que mesmo abrindo-se o disjuntor, a falta continua sendo alimentada), falta no final da linha, isto é, falta que continua sendo alimentada pelo terminal remoto do vão, entre outros. O programa DIGSI possibilita, nas unidades de bay, a parametrização das funções associadas às entradas binárias, aos relés de comando de disparo, aos relés de sinalização e aos led s de indicação frontal, além dos ajustes de configuração e de temporizações. Os relés de disparo e de sinalização das unidades de bay são parametrizados livremente e podem ser utilizados para comando de abertura dos disjuntores, atuação de relés de bloqueio, comando de envio de sinal de transferência de disparo para o terminal remoto de linhas e dos transformadores, sinalização e interfaces, entre outras. Além dos relés de saída, as atuações e sinais internos da proteção podem ser direcionados aos led s frontais das unidades de bay e da unidade central, para indicação local de cada ocorrência. O sistema de proteção possui também um completo registro de faltas através do registrador sequencial de eventos e do registrador oscilográfico de faltas. A totalidade de recursos inclúi, portanto, toda a parametrização (uploading e downloading), leitura de medição operacional das grandezas por vão, por zona seletiva ou geral, em valores primários ou secundários, leitura dos registros de eventos e dos registros oscilográficos de faltas e dados estatísticos. Cabe ressaltar a importância dos registros sequenciais de eventos, nem sempre disponível nos sistemas de proteção digitais, e dos registros oscilográficos das

4 4 unidades central e de bays, em uma análise de ocorrência de atuação por falta na barra ou por atuação do esquema de falha de disjuntor, mesmo quando da existência de oscilógrafo digital na subestação. Em ocorrências desta grandeza, todo o mapeamento sequencial dos eventos é extremamente adequado DESCRIÇÃO OPERATIVA O primeiro caso memorável, entre os que foram escolhidos neste relato, foi o caso Corumbá/Samambaia. O hardware instalado na subestação Samambaia possuía capacidade de proteção diferencial para até 8 vãos, apesar de ser fornecido com fiação interna preparada para abrigar até 12 vãos. Era preciso que a proteção fosse ampliada para capacitar o nono vão. Enquanto isso, o hardware instalado na Usina de Corumbá possuía capacidade de proteção diferencial para 11 vãos, mas somente 8 vãos estavam em operação, sendo os demais, 3 vãos futuros. Como as 2 instalações pertenciam à mesma empresa, FURNAS, foi solicitado o apoio técnico necessário a esta alteração à equipe de engenharia da SIEMENS. A operação de retirada temporária dos cartões da proteção de Corumbá e instalação na proteção de Samambaia foi então realizada com sucesso, sem que nenhum disparo indesejado tenha sido emitido. Considerando-se que as ampliações e substituições foram realizadas em usinas e subestações em operação e levando-se em conta o grau de importância e de cuidados que devem ser tomados quando se trabalha com um sistema de proteção de barramentos, foram necessários desenvolvimentos de métodos de engenharia, de execução e de comissionamento, que caracterizaram medidas com o objetivo de, ao mesmo tempo, se facilitar a instalação, mas também se minimizar os riscos de desligamentos indevidos. Isolamento dos circuitos de disparo, de sinalização e de transferência de disparo remoto ou para o outro lado de um transformador, bem como o isolamento dos circuitos de inicialização BF externos, foram algumas das medidas básicas que foram aplicadas. A instalação de forma conveniente dos novos relés auxiliares de disparo, relés de bloqueio, relés temporizadores, e até a instalação de novos bornes em réguas terminais existentes foram outros cuidados criteriosamente adotados e seguidos sistematicamente. O segundo caso foi o retrofit da proteção de barras da Usina de Ilha Solteria, da CESP/CTEEP, com 20 unidades geradoras, 6 linhas de 440 kv e 3 disjuntores acopladores de barras. Para facilidade de implantação foi adotada a arquitetura centralizada, com todo o sistema de proteção fornecido em 4 painéis instalados, fisicamente, na mesma posição da proteção anterior substituída. Ver Figura 6. FIGURA 6 : Configuração da UHE Ilha Solteira. Neste empreendimento foi acordada a utilização dos cabos existentes, facilitando a interligação entre os equipamentos de pátio de cada vão e os novos painéis e entre os painéis de proteção e controle de cada vão e os novos painéis. A única cablagem nova neste projeto foi relativo ao sistema de supervisão que passou a conter novas informações devido ao acréscimo de recursos do novo sistema. O relés auxiliares e de bloqueio que foram necessários foram montados nos novos painéis de proteção de barras e BF, sendo minimizados os riscos de desligamento, durante a instalação do novo sistema, através do isolamento dos circuitos de disparo, conforme mencionado anteriormente. Os circuitos de corrente, antes curto-circuitados, foram, através de desligamentos programados, conectados as respectivas unidades de bay, vão por vão, até o comissionamento de todo o sistema de proteção. O terceiro caso foi o retrofit da proteção de barras da Usina de Jupiá, da CESP/CTEEP, com 12 unidades geradoras, 4 linhas de 440 kv, 1 disjuntor acoplador de barras e um seccionamento de barras. Para facilidade de implantação foi adotada a arquitetura descentralizada, com todo o sistema de proteção fornecido em 1 painel instalado, fisicamente, ao lado da proteção anterior substituída, e contendo, além da unidade central, as unidades de bay do disjuntor acoplador, do seccionamento de barras e do vão futuro. As demais unidades de bay foram instaladas nos painéis de proteção e comando de cada vão, de forma distribuída. Ver Figura 7. Também neste empreendimento foi acordada a utilização dos cabos existentes, facilitando a interligação entre os equipamentos de pátio de cada vão e o novo sistema de proteção. As novas cablagens necessárias neste projeto foram entre os contatos dos equipamentos de pátio e os contatos de proteção dos mesmos, para inicialização BF, disponíveis nos painéis de proteção e controle existentes, e as unidades de bay, que foram instaladas nestes mesmos painéis. A ligação destas com a unidade central é feita por fibra ótica.

5 Projeto de adequação da instalação : Levantamento dos circuitos atuais Desenvolvimento das alterações de projeto necessárias Projeto funcional dos novos sistemas de proteção Planejamento da instalação dos novos painéis integrados aos sistemas de proteção e controle existentes 4.3. Alteração dos circuitos : FIGURA 7 : Configuração da UHE Jupiá. O relés auxiliares e de bloqueio que foram necessários foram montados nos painéis de proteção e controle existentes, sendo minimizados os riscos de desligamento, durante a instalação do novo sistema, através do isolamento dos circuitos de disparo, conforme mencionado anteriormente. Também neste caso, os circuitos de corrente, antes curto-circuitados, foram, através de desligamentos programados, conectados as respectivas unidades de bay, vão por vão, até o comissionamento de todo o sistema de proteção. Tanto no caso da Usina de Ilha Solteira, quanto no caso da Usina de Jupiá, a instalação, a montagem global, e os testes de comissionamento foram executados com total sucesso, sem que houvesse qualquer comando ou sinalização indesejados, o que comprova a adequacidade das metodologias que foram utilizadas considerando-se especialmente o fato de estarem estas instalações em operação comercial PROCEDIMENTOS => Instalação dos novos painéis de proteção e execução das interligações que não dependiam de desligamentos => Atuação de forma coordenada com a concessionária para a execução das alterações de projeto conforme as etapas previamente acordadas Exemplo prático apresentado através da Figura 8 : FIGURA 8 (a) : Circuito de corrente Situação prévia. Apesar das diferenças entre as subestações onde a proteção foi empregada, foram adotadas técnicas e adequações que se fizeram necessárias considerando-se os modos operacionais de cada empresa. Basicamente, a linha geral dos procedimentos adotados seguiu as seguintes etapas do processo : 4.1. Análise da atual situação dos circuitos : Nesta etapa foram analisados os seguintes aspectos :! Layout da subestação, incluindo número de barramentos, vãos, disjuntores de acoplamento! Levantamento dos equipamentos de campo, circuitos de corrente e de controle envolvidos! Definição da melhor arquitetura para o novo sistema de proteção! Quantificação dos equipamentos a serem fornecidos. FIGURA 8 (b) : Circuito de corrente Etapa 1.

6 6 externas, utilizando-se as próprias correntes de carga dos vãos Teste global do novo sistema de proteção : Teste incluindo os circuitos existentes e sua integração com os novos sistemas de proteção, se possível, com comandos reais. Necessidade de coordenação completa com os órgãos de operação das concessionárias. Verificação das funções e medições operacionais em cada etapa. Habilitação das funções, via parametrização, ao final dos ensaios. Liberação completa do novo sistema de proteção apenas após todos os testes terem sido concluídos de forma confiável. FIGURA 8 (c) : Circuito de corrente Etapa 2. FIGURA 8 (d) : Circuito de corrente Situação final. As figuras 8 (a) a 8 (d) apresentam a sequência mencionada de implementação das alterações necessárias, minimizando-se as modificações de circuitos e reduzindo-se os tempos de indisponibilidade dos equipamentos protegidos Comissionamento dos novos relés de proteção : Comissionamento de fábrica : Teste das funções de todas as unidades (central e de bay). Simulação de diferentes configurações operacionais. Simulação de faltas internas, de faltas externas e de falha de disjuntores Comissionamento em campo : Planejamento cuidadoso da execução dos ensaios, tendo em vista a importância dos circuitos envolvidos. Ensaios de casos selecionados das configurações possíveis, com simulações de faltas internas e 5.0. CONCLUSÕES Um dos objetivos foi buscar um tratamento que pudesse ser reaproveitado em outras instalações ou até mesmo generalizado para outros tipos de proteções em convergência com as prerrogativas do novo modelo do sistema elétrico brasileiro e de suas necessidades de otimização nos aspectos de seletividade, confiabilidade e preservação de suprimento, com os padrões de qualidade utilizados pelas empresas concessionárias envolvidas. Um dos fatores de maior relevância foi a característica de concepção das proteções numéricas empregadas que, por serem multi-ajustáveis e possuírem uma série de ferramentas de análise, fornecem condições muito melhores de desempenho que a experiência operacional tem demonstrado intensamente e que se procurou apresentar descritivamente, ressaltando-se as novas lógicas funcionais que agora são possíveis e as flexibilidades e a interação com as equipes de projeto que passaram a ser extremamente necessárias. Todas as empresas devem se conscientizar das vantagens práticas desta modernização que tem se procurado realizar com os sistemas de proteção de uma forma geral. Destacam-se, finalmente, as adequações que foram realizadas pelo fabricante SIEMENS, em conjunto com as concessionárias, para atender as necessidades complementares dos esquemas de proteção diferencial de barras e contra falha de disjuntores, que antes não eram atendidos pelas proteções convencionais e que agora se faz possível com as novas proteções numéricas de barras, ainda pouco conhecidas por todos, por terem sido as primeiras proteções com esta tecnologia implantadas no Brasil REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS : (1) Manual da SIEMENS : SIPROTEC Distributed Busbar / Breaker Failure Protection 7SS52 - V E50410-A0012-U501-A3-7691