GRUPO X GRUPO DE ESTUDO DE SOBRETENSÕES E COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO

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1 GSC/ a 26 de Outubro de 2001 Campinas - São Paulo - Brasil GRUPO X GRUPO DE ESTUDO DE SOBRETENSÕES E COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO UM NOVO CRITÉRIO DE AVALIAÇÃO DAS SOLICITAÇÕES DIELÉTRICAS ÀS UNIDADES CAPACITIVAS DE BANCOS DE CAPACITORES EM DERIVAÇÃO, FACE ÀS MANOBRAS DIÁRIAS BANCOS DE CAPACITORES EM 230 KV, DA SE GRAVATAÍ Paulo César Charles CHS Consultores Associados RESUMO Foram realizados estudos de sobretensões e sobrecorrentes, para avaliar as solicitações elétricas nos dois novos bancos de capacitores de 100 MVAr/230 kv da subestação de Gravataí. Indutores limitadores de corrente foram dimensionados para atender aos requisitos de descarga dos bancos. Ao longo dos estudos foi desenvolvido um novo critério de avaliação das solicitações de sobretensões e sobrecorrentes nas unidades capacitivas, levando em conta os requisitos de manobras diárias dos bancos de capacitores e os requisitos exigidos por norma. PALAVRAS-CHAVE: Bancos de capacitores, sobrecorrentes, sobretensões, manobras diárias. 1.0 INTRODUÇÃO Localizada em um ponto eletricamente estratégico no Rio Grande do Sul, a subestação de Gravataí é uma grande instalação, que recebe energia do sistema de 525 kv da Eletrosul, distribuindo-a em 230 kv. Seu pátio de 525 kv pertence à Empresa Transmissora de Energia Elétrica do Sul do Brasil S.A. ELETROSUL e o de 230 kv, à Companhia Estadual de Energia Elétrica CEEE. Os novos bancos de capacitores de 100 MVAR, do tipo fusíveis internos e com indutores limitadores de corrente, foram instalados no pátio de 230 kv em dezembro de 1999, aonde já existia um outro banco de capacitores de 100 MVAr, que não dispõe de indutor limitador de corrente. Esta ampliação surgiu da necessidade de atender aos requisitos de potência reativa e tensão, durante a carga de verão, e da prover flexibilidade operativa que os levou a serem manobrados, pelo menos, um vez por dia, a critério da área de operação. Em decorrência de problemas de falha de isolamento em buchas de transformadores que, inicialmente, foram associados à manobra do primeiro banco lá instalado, as especificações técnicas dos dois novos bancos requereram um número significativo de estudos de sobretensões/sobrecorrentes. Estes estudos envolveram energização dos bancos de capacitores, descargas sobre curtos na subestação, estudos de condição de restrike nos disjuntores, quando da abertura das correntes capacitivas dos bancos, estudos de eliminação de faltas, que levassem aos transformadores da subestação à saturação, produzindo sobretensões temporárias, estudos de TRT de disjuntores, etc. Além disso, embora não especificado, os estudos avaliaram as sobretensões em subestações próximas, devido as manobras de energização dos bancos de capacitores. O número máximo de operações de chaveamento diários, requerido pela especificação técnica, gerou discussões relevantes com o fabricante, com respeito a como considerar os limites recomendados pelo documento IEEE/ANSI CP , que o fabricante estabeleceu como adequado para demonstrar a suportabilidade de suas unidades capacitivas. A combinação dos requisitos de manobras diárias exigidos, com os limites estabelecidos na mencionada norma, sobretudo vinculados à suportabilidade de curta duração, originou uma nova forma de avaliação, que será descrita ao longo deste artigo. (*) CHS Consultores Associados - Rua Conselheiro Mafra, 220 sl 606 Florianópolis/SC Tel.(048) /Fax. (048) chsca@terra.com.br

2 2.0 DESCRIÇÃO SUCINTA DO ESTUDO E DO SISTEMA A SE Gravataí é alimentada pelo sistema de 525 kv da ELETROSUL, através de quatro autotransformadores de 600 MVA, 525/230 kv. Por sua vez, a área de 230 kv da CEEE alimentava, na configuração de 1999, cerca de dez linhas de 230 kv e dois transformadores de 230/69 kv; em futuro próximo (2008), o número de linhas de transmissão em 230 kv, deverá crescer para cerca de quinze. Com relação ao estudo, o mesmo foi realizado utilizando o programa ATP e foi dividido nas seguintes partes: a) Energização de bancos de capacitores ; b) Descarga de bancos de capacitores, sob condições de curto-circuito; c) Sobretensões transitórias e temporárias de manobra no sistema; d) Tensão de restabelecimento transitória (TRT) nos disjuntores; e) Sobretensões por condições de restrike dos disjuntores dos bancos de capacitores; f) Sobretensões por descargas atmosféricas. De maneira geral, os estudos (a), (c), (e) e (f) tiveram como finalidade avaliar as condições de sobretensões transitórias e temporárias nas unidades capacitivas e nos demais equipamentos da subestação. Os itens (b) e (e) estão relacionados aos efeitos de sobrecorrentes nas unidades capacitivas, bem como nos secundários dos transformadores de corrente; o item (d) se relaciona com as condições de abertura dos disjuntores dos novos bancos de capacitores. O sistema foi modelado de forma trifásica, tendo suas linhas de transmissão sido representadas através de seus parâmetros distribuídos, nas seqüências positiva e zero. Todos os transformadores da subestação foram representados com suas características de magnetização. As cargas foram representadas por equivalentes R-L série, baseadas nos resultados dos fluxos de potência que, previamente foram processados em programas convencionais. Seus resultados também serviram para o ajuste das condições iniciais, no programa ATP. Os barramentos da subestação foram representados por circuitos R-L, levando em conta seus comprimentos e localização dos equipamentos, dentro da região de interesse. Para as condições de energização, os tempos de fechamento mais desfavoráveis dos disjuntores foram selecionados por simulações estatísticas, tomando como parâmetros de controle os valores máximos de sobretensões e sobrecorrentes nos bancos de capacitores manobrados. De forma similar, o recurso de chaves sistemáticas foi utilizado na determinação dos piores tempos de aplicação de curtos-circuitos, com respeito ao ponto na onda de tensão. Nos casos em que envolviam sobretensões temporárias, foram selecionadas condições de aplicação e eliminação de faltas que conduzisse a situações mais severas de sobrefluxo nos transformadores. Neste artigo, não descreveremos em detalhe estes estudos prendendo-nos, basicamente, à descrição detalhada de como os novos critérios de avaliação de suportabilidade das unidades capacitivas foram desenvolvidos, apresentando alguns exemplos de aplicação. 3. CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO DAS SUPORTABILIDADES DOS DEMAIS EQUIPAMENTOS 3.1 Suportabilidade a Sobretensões Transitórias, das Cargas Secundárias dos TC Em decorrência da não disponibilidade dos dados dos TC e da composição de suas cargas secundárias, que permitisse uma avaliação mais direta da sobretensão aplicada em seu secundário, quando sobrecorrentes transitórias circulam em seu primário, as solicitações foram avaliadas de forma indireta, através do produto da corrente primária e sua freqüência (Produto IF). O produto IF, foi derivado da norma ANSI C (V S ), conforme a relação (1), VS CR I. F =, (1) 2π L onde VS é a tensão transitória suportável pelo secundário do TC e sua carga, CR é a relação de transformação do TC e L, a indutância de sua carga padronizada. 3.2 Suportabilidade a Sobretensões Temporárias dos Transformadores. Foi considerado que as sobretensões temporárias aplicadas aos transformadores, não deveriam exceder a 1,4 pu de suas tensões nominais (230 kv), mantidas por um período máximo de 20 ciclos da freqüência fundamental. O período temporário foi considerado, como premissa, se iniciar após cerca de 1 a 2 ciclos do início da sobretensão propriamente dita.

3 3.3 Suportabilidade a Sobretensões Transitórias dos Equipamentos Para as sobretensões transitórias, foi considerado que seus valores máximos não deveriam exceder à relação (2) abaixo, V T (máx) = BIL x 0.83 x 0,90 (degradação no tempo)x (nível de proteção dos pára-raios) (2) 3.4. Tensão Transitória de Restabelecimento nos Disjuntores dos Novos Bancos Avaliadas conforme recomendação da IEC-56, para condições de interrupção de curtos-circuitos e abertura de correntes capacitivas. 4. CRITÉRIO DE SUPORTABILIDADE DAS UNIDADES CAPACITIVAS DOS BANCOS DE CAPACITORES Os critérios de avaliação das suportabilidades transitórias de corrente e tensão nas unidades capacitivas, bem como aquelas devidas a sobretensões temporárias, foram gerados com base nos valores recomendados pela ANSI CP , como proposto pelo próprio fabricante. Contudo, independente da utilização desta ou de outra norma, ou de outros valores específicos que os próprios fabricantes disponham, os procedimentos aqui desenvolvidos, poderão ser igualmente utilizados. Nas Tabelas 1 e 2 são transcritos os valores limites para sobrecorrentes e sobretensões transitórias, recomendados pela ANSI CP Como a norma não mencionava duração destas sobretensões/sobrecorrentes, dentro da qual os valores máximos deveria ser avaliados, considerou-se ser esta duração da ordem de 1 a 2 ciclos da freqüência fundamental. Tabela 1 - Sobretensões Transitórias Máximas No. de Transitórios/ano (pu da tensão nominal) 40 4, , ,9 Número de transitórios/ano Tabela 2 Sobrecorrentes Transitórias Máximas (vezes a corrente nominal) Para avaliação das sobretensões temporárias aplicadas nas unidades capacitivas, foram utilizados os valores contidos na mesma norma, classificados como Máxima Sobretensão de Curta Duração, como apresentado na Tabela 3. Tabela 3 Máxima Sobretensão de Curta Duração Duração (pu da tensão nominal) 15 ciclos segundo segundos minuto minutos Os valores da Tabela 3 estão associados à freqüência fundamental e estão limitados a um número combinado de ocorrências menores do que 300 vezes, durante a vida útil da unidade capacitiva. Assim, a questão do número esperado de ocorrências de aplicação de sobretensões de curta duração, durante a vida útil, solicitando cumulativamente o isolamento da unidade capacitiva, teve que ser considerado no critério de avaliação, levando em conta o fato de que os bancos de capacitores poderiam ser energizados uma ou duas vezes por dia. O número médio esperado de transitórios diários (N T ), aplicados às unidades capacitivas, produzidos por manobras dos bancos de capacitores, podem ser computados como sendo iguais a N T = N E + N R, (3) onde N E é o número médio esperado de sobretensões de energizações diárias dos bancos, incluindo aquelas que afetam os bancos que já estão em serviço, durante a energização de um deles e N R., como sendo o número médio de sobretensões por restrike dos disjuntores, aplicados às unidades capacitivas ao longo da vida útil. N E pode ser calculado como sendo N E n B i i=1 = n n B D, (4) com n B sendo o número de bancos manobráveis, no mesmo barramento e n D, o número de manobras diárias requeridas. O número médio esperado de restrikes (N R ) nos disjuntores dos bancos, quando procedendo à manobras de abertura capacitiva, foi computado como sendo

4 N R = p R. N E, (5) p R sendo a probabilidade de restrike, para o tipo de disjuntor considerado. De maneira geral, N E é predominante sobre N T, o que nos leva a considerar que N T N E. Assim, as sobretensões associadas a restrikes em disjuntores, bem como qualquer outra associada a fenômenos de baixa probabilidade de ocorrência, foram tratados separadamente, sobretudo quando suas ampliltudes eram de valor elevado, comparados àquelas obtidas nas energizações. Por outro lado, no caso de falha de elementos internos das unidades capacitivas (fusíveis internos, no nosso caso), as distribuições de corrente e tensão nas unidades remanescentes se alteram. Esta situação de desbalanço permanece até que seja feita uma manutenção (substituição) ou que a proteção de desbalanço retire o banco de operação, quando da falha de elementos adicionais. Este efeito foi considerado, reduzindo-se as amplitudes dos valores limites apresentados nas Tabelas de 1 a 3, na mesma proporção em que se aumentariam as solicitações nas unidades remanescentes. Desta forma, poder-se-ia avaliar este tipo de efeito diretamente sobre os resultados da variáveis medidas nos bancos, durante as simulações. As Tabelas 4 e 5 são as mesmas Tabelas 1 e 2, corrigidas com base nas considerações anteriormente feitas. Tabela 4 Sobretensões Transitórias Máximas, Corrigidas No. de Transitórios/ano (pu da tensão nominal) 40 3, , ,63 Número de transitórios/ano Tabela 5 Sobrecorrentes Transitórias Máximas, Corrigidas (vezes a corrente nominal) 2 903, ,3 Assim, para uma manobra diária (n D = 1), três bancos de capacitores manobráveis (n B = 3) e para uma probabilidade de restrike p R = 0.5%, chega-se a um no. de ocorrências anuais, N T (ano) da ordem de 734 ocorrências/ano; para n D = 2 manobras diárias, n B = 3 e a mesma probabilidade de restrike, chega-se a N T (ano) da ordem de ocorrências/ano. A Tabela 6 apresenta os valores resultantes, para sobretensões/sobrecorrentes transitórias. A duração considerada nas avaliações dos resultados das simulações, foi da ordem de 1 a 2 ciclos. Tabela 6 Limites de Sobretensões/Sobrecorrentes Transitórias para uma Manobra, Função do Número de Operações Diárias No. de Manobras Diárias Limite de Sobretensão (pu da tensão nominal) Limite de Sobrecorrente (ka crista ) 1 2,63 32,1 2 2,63 32,1 (valor a ser confirmado) Para a região das sobretensões temporárias, partiu-se da Tabela 3 procedendo-se, para os limites das amplitudes, de maneira similar ao que foi feito para região das sobretensões/sobrecorrentes transitórias. Aqui surge uma consideração adicional: os pontos da Tabela 3 pertencem a uma curva inversa, abaixo da qual não há perda significativa de vida útil, desde que.o número de ocorrências combinadas esteja limitado a 300. Para levar em conta este aspecto, converteu-se as durações da Tabela 3 em número máximo de semiciclos permissíveis, por manobra, calculado para cada linha da tabela,. No. semi-ciclos = (300 x duração em semi-ciclos) / [N T (ano) x vida útil)], (6) sendo a vida útil aqui considerada igual a 25 anos. A Tabela 7 apresenta a mesma Tabela 3, já convertida da forma anteriormente mencionada. Os valores limites de sobretensões das Tabelas 6 e 7 foram combinados de forma a gerar balizadores que reproduzem as suportabilidades a sobretensões transitórias e temporárias. Estes balizadores, aplicados aos oscilogramas obtidos nas simulações, permitem uma rápida visualização das condições impostas às unidades capacitivas, satisfazendo às condições de número de manobras diárias, número de bancos em paralelo, etc.

5 Semi-ciclos/Manobras Diárias Uma manobra Duas Manobras Máxima Sobretensão (pu da tensão nominal - - 1, , , , ,13 Tabela 7 Limites de Sobretensão Temporária, Função do Número de Semi-ciclos Permissíveis 5. ALGUNS EXEMPLOS DE APLICAÇÃO A Tabela 8 apresenta os valores de sobretensões e sobrecorrentes transitórias obtidas nos casos mais severos de energização dos bancos de capacitores, para as configurações de 1999 e Os bancos 2 (B2) and 3 (B3) são os novos bancos de capacitores; o banco 1 (B1) é o banco já existente na subestação. Os instantes de fechamento de cada fase foram selecionados com base nos resultados de casos de manobra estatística, que geraram os maiores valores de sobretensões e sobrecorrentes transitórias. instantâneos dos tetos de sobretensão permissíveis, para o número de semi-ciclos estabelecidos, conforme a Tabela 6, estes últimos convertidos em segundos Capref1.pl4: v:cap1p - v:cap1n - Et9904b.pl4: v:ba N3C - Figura 1 Banco 3 Sobretensão Temporária de Energização 1 manobra diária Sem perdas no indutor. Na Figura 1 vê-se que os limites estão sendo excedidos, em vários trechos dos balizadores. Sobreposta à tensão de freqüência fundamental, observa-se uma onda de freqüência da ordem de 1,3 khz, amortecendo lentamente. Esta oscilação é produzida pela interação da capacitância do banco com seu indutor limitador de corrente. A Figura 2 mostra esta forma de onda em maior detalhe Tabela 8 Sobretensões e Sobrecorrentes Transitórias, por Energização dos Bancos de Capacitores Caso B3 manobra, B1 and B2 ligados, B3 manobra, B1 and B2 ligados 1999, com sincronizador. B3 manobra, B1 and B2 ligados, Sobretensões( pu) (*) Sobrecorrentes (ka crista ) B2 B3 B2 B3 1,63 1,62 5,00 6,10 1,26 1,26 2,30 2,65 1,70 1,68 5,22 6,44 (*) pu of / 3 A avaliação das sobretensões temporárias, utilizando o novo critério, está apresentada nas Figs. 1, 2, 3 e 4, onde os limitadores representam os valores máximos * Capref1.pl4: v :CA P1P - v:cap1n - Et9904b.pl4: v :BA N3C - Figura 2 Banco 3 Sobretensão Temporária de Energização 1 manobra diária Sem perdas no indutor. Detalhe. Na Figura 3 pode-se ver que, com o amortecimento apropriado, o critério é satisfeito. Na Figura4 foi utilizada a mesma sobretensão da Figura 3, mudando-se os balizadores para 2 manobras diárias. Observa-se que este tipo de avaliação permite decidir não somente com respeito à modelagem utilizada mas

6 também sobre a política de manobras diárias a ser adotada. Por outro lado, é possível verificar o reflexo do aumento da tensão suportável do banco, quer seja por aumento do número de elementos série ou pelo aumento da suportabilidade da unidade capacitiva propriamente dita, na alteração limites dos balizadores Capref1.pl4: v:cap1n - v:cap1p - Et9904d.pl4: v:ban3c - Figura 3 Banco 3 Sobretensão Temporária de Energização 1 manobra diária Com perdas no indutor, na freqüência natural de oscilação Capref1.pl4: v:cap2p - v:cap2n - Et9904d.pl4: v:ban3c - Figura 4 Banco 3 Sobretensão Temporária de Energização 2 manobras diárias Com perdas no indutor, na freqüência natural de oscilação. 6. CONCLUSÕES Um estudo detalhado de sobretensões e sobrecorrentes foi realizado, para avaliar as solicitações elétricas nos dois novos bancos de capacitores de 100 MVAr, em 230 kv, instalados na SE Gravataí. Dentre os aspectos analisados, um deles mereceu significativa atenção, qual seja, a avaliação das solicitações de corrente e tensão nas unidades capacitivas. A partir dos valores recomendados por normas e dos requisitos de manobras diárias dos bancos, contidos nas especificações técnicas, um novo critério de avaliação das mencionadas suportabilidades foi desenvolvido. Levou-se também em conta não só as conseqüências das falhas de elementos internos nas unidades capacitivas, até que a proteção de desbalanço do banco atuasse, bem como o número médio de ocorrências de sobretensões e sobrecorrentes ao ano, função da política de manobras diárias requeridas pelas empresas e do número de bancos manobráveis em paralelo, instalados no mesmo barramento. Com este novo critério, criou-se balizadores que, aplicados diretamente aos oscilogramas obtidos nas simulações, permitiu uma visualização rápida e clara das condições que poderiam exceder os limites estabelecidos. Permitiu também verificar a influência do número de manobras diárias, do número de bancos manobráveis, ligados ao mesmo barramento, da suportabilidades a sobretensões transitórias e temporárias de suas unidades capacitivas, do incremento no número de unidades série, para aumentar a suportabilidade do banco propriamente dito. O efeito da representação dos componentes da rede, como o amortecimento produzido por perdas, pôde ser visualizado mais facilmente. Finalmente, pode-se dizer que sua aplicabilidade independe do tipo de recomendação de norma utilizada para a geração de seus novos limites (balizadores), podendo ser perfeitamente adequado a valores de suportabilidade mais significativos e atualizados, fornecidos pelos fabricantes. 7. REFERÊNCIAS [1] ANSI CP (Annex E) [2] IEC 871-1/1987 [3] Lapp, John. Concepts in Systems Testing of Dielectrics in Capacitors. IEEE PES Summer Meeting, May, [4] Charles, Paulo César. Avaliação de Suportabilidade a Sobretensões de Bancos de Capacitores em Derivação Análise Crítica e Proposição de Critérios. Dissertação de Mestrado, UFSC. [5] D Ajuz, Ary, Ferreira, A. G.- Resposta de Transformadores de Corrente Instalados junto a Bancos de Capacitores. IX SNPTEE, 1987.