V SBQEE Seminário Brasileiro sobre Qualidade da Energia Elétrica 17 a 20 de Agosto de 2003 Aracaju Sergipe Brasil Código: AJU 05 150 Tópico: Sistemas de Monitoramento e Tratamento de Dados SOBRECARGA HARMÔNICA E IMPLANTAÇÃO DE SISTEMA DE MONITORAMENTO E ALARME NAS SUBESTAÇÕES DE IBIÚNA E FOZ DO IGUAÇU DE FURNAS Alexandre Lima Farias(*) Davi Sixel Arentz Ubiratan F Castellano FURNAS Centrais Elétricas SA FURNAS Centrais Elétricas SA Joule Energy Ltda RESUMO Este trabalho apresenta a descrição de um problema real de sobrecarga harmônica em filtros AC de um Sistema de Transmissão em Corrente Contínua e o resumo do desenvolvimento e implantação de uma versão especificamente modificada do sistema Power Auditor de monitoramento de qualidade de energia com funções de alarme de harmônicas especiais desenvolvidas para atender aplicação nas Subestações Conversoras de Ibiúna e Foz do Iguaçu. Apresentam-se alguns dos registros das medições em diversas condições operativas, resumo da analise das mesmas e as conseqüentes decisões de ampliar a capacidade de filtragem e realizar uma campanha de medições para identificar o comportamento dos harmônicos neste sistema. PALAVRAS CHAVE: Qualidade de energia, Monitoramento, harmônicos, sistema de corrente contínua, filtros. 1. INTRODUÇÃO Ao longo dos últimos anos foram identificadas diversas ocorrências de sobrecarga harmônica em filtros AC do Sistema de Corrente Contínua de FURNAS que vem ocorrendo nos dois filtros sintonizados para 3 a e 5 a ordem (180 e 300Hz), localizados em Ibiúna. Existem registros de sobrecarga harmônica, com conseqüente desligamento destes filtros, mesmo com o Sistema de Corrente Contínua fora de operação. Tal problema tem obrigado a utilização contínua dos 2 filtros desta sintonia, em desacordo com o projeto original que previa a utilização de apenas um dos filtros, ficando o outro como reserva. Isto dificulta severamente a realização de manutenções preventivas. Adicionalmente, a indisponibilidade destes dois filtros deixa o Sistema de Corrente Contínua vulnerável, sendo necessário reduzir a potência transmitida drasticamente causando grandes transtornos operativos para o Sistema Interligado. FURNAS vem realizando diversos monitoramentos e investigações nas SE Ibiúna e Foz do Iguaçu e, em 2000, definiu a necessidade de monitoramento especial de harmônicos associado a alarmes especiais disparados em condições de níveis programáveis para diversos componentes harmônicas selecionadas e diversos tempos de integração, em acordo com as proteções dos filtros, e que pudesse dar suporte tanto a análise de situações específicas e também suporte a operação dos filtros e prevenção de situações limite. Este trabalho apresenta a visão geral do problema, o desenvolvimento do sistema de monitoramento, sua implantação e importância dos resultados obtidos, contemplando alguns exemplos de sua utilização que vem contribuindo nos estudos para a solução do problema. 2. O SISTEMA DE CORRENTE CONTÍNUA DE FURNAS Com capacidade de transmissão nominal de 6300MW, o Sistema de Corrente Contínua é composto por dois bipolos que operam com tensão nominal de +600kV. Com aproximadamente 800km, interliga a subestação de Foz do Iguaçu, no oeste do Paraná, à subestação de Ibiúna, próxima da capital de São Paulo. A subestação retificadora recebe a tensão no nível de 500kV proveniente da usina de Itaipu (50Hz), estando interligada ao sistema paraguaio através de um tronco de 220kV que chega à subestação Margem Direita, localizada a menos de 10km de Foz do Iguaçu. A subestação inversora está ligada à Rede Básica brasileira (60Hz) através de linhas de transmissão de 345kV que se dirigem para o centro de São Paulo e de * Rua Real Grandeza 219 - CEP 22283-900 - Rio de Janeiro - RJ - BRASIL Tel.: +55 (021) 25282188 - FAX: +55 (021) 25282188 - E-mail: alfarias@furnas.com.br
400 uma transformação para 500kV, que permite a sua interligação com os sistemas do Sul e Sudeste. Em ambas a subestações há um grande montante de filtros, responsáveis por diminuir os harmônicos injetados na rede e fornecer parte da potência reativa necessária ao processo de conversão AC/DC. Estes filtros são sintonizados para as principais freqüências esperadas no processo de conversão (harmônicos de ordem 3,5,11,13 e passa-alta), sendo filtros passivos RLC. 3. A FILTRAGEM AC DO SISTEMA DE CORRENTE CONTÍNUA DE FURNAS A conversão AC/DC é realizada através de pontes tiristorizadas de 12 pulsos, onde as harmônicas características que são da ordem 12n+1, onde n é qualquer inteiro e as harmônicas não-características, que são as de outras ordens. Um banco de filtros de dupla sintonia em 3 o e 5 o harmônicos, conectado ao sistema em caráter obrigatório, visa auxiliar a atender aos requisitos de desempenho de distorção harmônica e interferência telefônica, além de participar no balanço de potência reativa. No caso de Ibiúna, os filtros reduzem picos de sobretensões harmônicas durante eliminação de faltas trifásicas, que foram observadas em estudos do projeto. As subestações foram dimensionadas com dois bancos de filtros desta sintonia. A presença de apenas um dos filtros seria suficiente para manter o desempenho do sistema considerando a operação das conversoras e uma contribuição adicional do sistema interligado. O segundo filtro garante confiabilidade através da redundância para eventuais manutenções. Pelo projeto, a distorção da tensão AC para cada harmônico individual deveria ser menor que 1 % e a Distorção Total (DHT) inferior a 4 % e o desbalanço do sistema AC deveria ser tal que a componente de seqüência negativa não fosse superior a 0,5 % do valor da seqüência positiva. 4. O PROBLEMA DA SOBRECARGA HARMÔNICA Conforme estudos desde 1988 têm sido identificadas situações com elevados índices de distorção de 5 o harmônico em Ibiúna, principalmente em períodos de carga leve. Isto levou à necessidade de operação constante do segundo filtro conectado. A manutenção de algum destes filtros é muito dificultada pois é vedada a operação do Sistema de Corrente Contínua na indisponibilidade dos 2 bancos de 3 o /5 o harmônicos e, em caso de distúrbio do banco remanescente, a potência transmitida teria que ser reduzida rapidamente. Os altos índices seriam causados pelo excesso de harmônicos no sistema de corrente alternada. Medidas operativas foram apontadas mas não têm sido suficientes para reduzir a sobrecarga nos filtros. 4.1 Proteção de sobrecarga harmônica dos filtros Os filtros têm proteção específica de sobrecarga harmônica para o controle da corrente que circula em cada um de seus componentes (reator, resistor e capacitores) e opera integrando o conteúdo de distorção ( ( i 2 h ), onde i h é o conteúdo harmônico da corrente i na freqüência h*60 Hz) presente na corrente que circula nesses componentes. Ela age temporizadamente, dando alarme e desligando o equipamento, de modo adaptado à suportabilidade dos componentes. Há alguns anos foi instalado um esquema de alarmes configurados para 75% dos níveis de disparo da proteção do filtro. Foi verificado um grande número de alarmes, mesmo com ambos os filtros conectados a rede, e hoje em dia os mesmos ocorrem durante todo período de operação do sistema de Corrente Continua, com potências acima de 4.500 MW ou com potência nula. Nos últimos anos, além de alarmes e desligamentos de filtros por sobrecarga foram registradas varias queimas de reatores de filtros de 3º/5º e alguns de outras sintonias também. 4.2 Novo sistema de monitoramento e alarme Em função do exposto viu-se necessário um acompanhamento constante do nível de distorção harmônica total e para isso foi instalado um Sistema de Aquisição de Dados de Qualidade de Energia modelo Power Auditor customizado, para monitorar continuamente o índice de distorção harmônica de tensão do barramento de 345kV de Ibiúna. No ano 2000 se iniciaram testes de funcionalidades do sistema Power Auditor em Ibiúna, utilizando a princípio uma versão básica do sistema e posteriormente a versão customizada, configurado para aquisição com taxa de amostragem de 64 a 256 pontos por ciclo e registro contínuo dos valores de tensão e corrente RMS, calculando e registrando a cada minuto a distorção harmônica total e valores individuais de cada componente harmônica para o sinal de tensão e corrente, dispondo de dois níveis de alarmes especiais. 5. DESENVOLVIMENTO E IMPLANTAÇÃO DE SISTEMA DE MONITORAMENTO ESPECIAL DE HAMONICOS O Power Auditor é um sistema de aquisição de dados especializado para qualidade de energia elétrica, baseado em plataforma de computador de arquitetura aberta e no software QSR2000, e cujo diagrama geral de blocos é apresentado na figura 1. O sistema foi desenvolvido pelas empresas sulafricanas TLC Software e Quality of Supply Technologies, sendo integrado com suporte no desenvolvimento de aplicações e engenharia no Brasil pela Joule Energy. É composto por um hardware de arquitetura aberta, utilizando computador padrão PC e aquisição de dados via placa A/D de 12 bits, número de canais analógicos e digitais modularizáveis em até
401 64 canais analógicos e 92 digitais por unidade do Power Auditor. FIGURA 1 diagrama do sistema Power Auditor forma a complementar o antigo esquema para monitoramento de harmônicos já existente e fornecer registros para os estudos pós-eventos. Assim foram especificadas e desenvolvidas: - função especial no software para o monitoramento especial de harmônicos, integrando no tempo a exposição dos filtros aos níveis de distorção harmônica total e suas componentes - função de alarme, em dois níveis, associado ao monitoramento especial, com o software acionando relés auxiliares associados a cada nível de alarme assim temporizado. A figura 2 ilustra a página de configuração da função de alarme especial implantada no sistema. Toda configuração do sistema, gerenciamento de aquisição, cálculo de grandezas, indicadores, estatísticas e geração de relatórios de resultados é executado pelo software QSR2000, um software especialista para monitoramento de qualidade de energia, com funcionalidade completa abrangendo todos os aspectos pertinentes, fornecendo os resultados em conformidade com normalização internacional (NRS, IEC e outros), sendo possível o desenvolvimento de novas funcionalidades e implementação de novas modalidades e metodologias de cálculos primários e secundários. Pela característica de ser um sistema bastante configurável tanto em hardware como em software, os trabalhos integrados entre FURNAS e o fornecedor da solução possibilitaram o desenvolvimento, em um prazo relativamente curto, das novas funcionalidades especiais de software e hardware em etapas de implantação conforme descritas. De interface e conceito de configuração bastante claro e simples, permitiu também no curtíssimo prazo a obtenção e utilização de resultados diretamente aplicáveis ainda durante o desenvolvimento. 5.1 Teste inicial do sistema de aquisição O Power Auditor, instalado inicialmente em sua versão padrão, foi configurado somente para armazenar em banco de dados local os valores RMS de tensão e corrente, distorção harmônica total e as componentes harmônicas individuais, sendo acessível remotamente pela equipe da engenharia de FURNAS no Rio de Janeiro através de comunicação por linha telefônica, que era o único meio disponível nas subestações. Atualmente a comunicação é realizada através da Intranet, com maior velocidade de transferência de dados. 5.2 Especificação e desenvolvimento de versão do Power Auditor com função e alarmes de harmônicos especiais Com os resultados iniciais, definiu-se como segundo objetivo desenvolver uma versão do sistema visando fornecer também indicação e alarme em tempo real do nível de harmônicos medidos integrados no tempo de Figura 2 Tela de configuração do alarme especial Essa nova função alarme especial criada permite selecionar, para cada canal de tensão ou corrente adquirido, o monitoramento dos níveis de distorção harmônica total e/ou cada componente harmônica individual. Para cada um dos dois níveis de alarme, programáveis independentemente, é definido um intervalo de tempo de integração de janela deslizante e um nível para cada harmônica individual até a 9 a. ordem. Caso a média dos valores registrados de DHT ou suas componentes ultrapasse, em qualquer um dos canais configurados, os níveis de disparo definidos em um dos dois alarmes, a saída à relé relacionada ao alarme especial será ativada gerando sinalização na mesa de operação, permitindo ação e tomada de decisão. Os
402 alarmes assim podem ser configurados para atuar em níveis progressivos de severidade de eventos. As sucessivas versões do Power Auditor foram testadas e as funcionalidades aprovadas nesta fase, ao longo de 2000 e início de 2001, com o monitoramento se processando de maneira continuada e simultânea, com registro do comportamento das harmônicas ao longo desta fase. 5.3 Especificação de precisão do sistema de aquisição desenvolvimento de hardware Utilizando os resultados colhidos ao longo das etapas de testes preliminares e desenvolvimento das funções de alarmes especiais de harmônicos, comparados aos históricos e desempenho observado nos filtros e sua proteção, FURNAS especificou para o sistema níveis de precisão mais rígidos que os de norma para a medição de cada harmônico individual, bem como uma rotina particular de testes de laboratório e de campo para aferir a performance do conjunto de hardware e software. Especialmente quanto ao resultado da rotina de integração de harmônicos individuais e a precisão no acionamento dos reles associados aos dois níveis de alarme, foi requisitado que o sistema mantivesse a performance de precisão mesmo em condições de reduzidos sinais na entrada de aquisição, o que foi alcançado. Nessa fase, o fornecedor desenvolveu paralelamente os ajustes no software e o desenvolvimento e nacionalização da interface de condicionamento de sinal, de modo a atingir os requisitos da especificação. 5.4 Comissionamento O sistema fornecido passou por diversos testes tanto no campo, instalado na subestação de Ibiúna, como nos laboratórios de FURNAS, o mesmo se dando com o sistema instalado na subestação de Foz do Iguaçu, e com o fornecido para a equipe de qualidade, no Rio de Janeiro. As especificações foram atendidas, e essa fase se concluiu no início do 2002. 6. RESULTADOS DO MONITORAMENTO DE QUALIDADE DE ENERGIA EM IBIÚNA Assim, ao longo dos últimos dois anos foi efetuado um acompanhamento contínuo do desempenho harmônico da tensão em Ibiúna. Neste período de análise foram identificadas diversas ocorrências, algumas com desligamento de filtros, em que o Sistema de Corrente Contínua se encontrava em condições operativas variadas. A seguir são apresentados alguns detalhes relativos a uma determinada ocorrência envolvendo os filtros de 3 o /5 o harmônicos de Ibiúna e o comportamento de um dia típico, sem registro de perturbações próximas. Estes dois momentos servem para exemplificar as situações comuns que são encontradas em Ibiúna. 6.1. Ocorrência de 27/01/2002 Às 14:00 h de 27/01/2002 a SE Ibiúna operava com um bípolo desligado, potência transmitida pelo sistema de corrente contínua próxima de 800 MW e com um circuito da LI Ibiúna Interlagos 345 kv desligado. A seqüência de eventos da Tabela 1, apenas com os desligamentos de filtros por proteção e as manobras mais importantes, é apresentada para demonstrar a gravidade do problema. Tabela 1 Seqüência de Eventos. Hora Descrição do evento 14:20 Desligamento do filtro ZRN 14:21 Desligamento do filtro ZRC 14:22 Energizados os filtros ZRC e ZRN 14:49 Acionada a parada do pólo 3 para controle de tensão 14:57 Potência transmitida reduzida para 700 MW 15:10 Potência transmitida reduzida para 300 MW 15:50 Acionada a parada do conversor 8 15:52 Desligamento do filtro ZRN 15:53 Desligamento do filtro ZRC 15:54 Acionada parada completa da transmissão pelo HVDC. 15:56 Energizado o filtro ZRC. 15:57 Energizado o filtro ZRN 16:03 Desligamento do filtro ZRN 16:05 Desligamento do filtro ZRC 19:24 Energizado o filtro ZRC 19:25 Energizado o filtro ZRN 19:25 Acionada a partida do HVDC 19:35 Desligamento do filtro ZRN 19:35 Desligamento do filtro ZRC 19:37 Energizado um filtro passa-alta (HP) e um banco de capacitores 19:38 Energizado o filtro ZRC 19:39 Energizado o filtro ZRN 19:40 A partir deste instante foram efetuados diversas manobras e ações de partida de conversoras, sem mais desligamentos. As Figuras 3 e 4 apresentam a potência transmitida pelo Sistema de Corrente Contínua e o índice de Distorção Harmônica Total (DHT) medido em Ibiúna neste dia. A Figura 5 mostra o índice de 5 o harmônico durante o mesmo período. MW 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Potência - HVDC (Ibiúna) 0 00:00 01:05 02:10 03:15 04:20 05:25 06:30 07:35 08:40 09:45 10:50 11:55 13:00 14:05 15:10 16:15 17:20 18:25 19:30 20:35 21:40 22:45 23:50 Hora (27 Janeiro 2002) FIGURA 3 Potência Transmitida (MW)
403 FIGURA 4 Distorção Harmônica Total (%) FIGURA 7 3 o e 5 o Harmônicos de Tensão (%) FIGURA 5 5 o Harmônico de Tensão (%) Pode-se notar que o comportamento da Distorção Harmônica Total é fortemente influenciado pelo 5 o harmônico. As amplitudes dos harmônicos de outras ordens são bastante reduzidas, podendo ser desprezadas em comparação com a componente de 300Hz. Não é possível obter uma relação entre a potência transmitida e o comportamento dos harmônicos. 6.2. Ocorrência de 26/10/2002 Neste dia, um sábado, não houve registro de qualquer distúrbio ou chaveamento importante próximo de Ibiúna, com pouca variação na transmissão pelo Sistema de Corrente Contínua. Os registros desta medição são apresentados nas Figuras 6 e 7 por mostrarem comportamentos típicos que foram identificados ao longo do acompanhamento dos últimos anos. Da sua análise podemos destacar : - O perfil da Distorção Harmônica Total acompanha a variação da Distorção Individual de 5 a ordem, que é da ordem de 70% da distorção total. - Pouco antes do horário de ponta ocorre uma redução sensível no 5 o harmônico, que aumenta lentamente até por volta das 23 horas. Este comportamento se repete em qualquer dia da semana. - O 3 o harmônico tem um comportamento estável, com valor inferior a 0,3% da tensão nominal, índice que não causa preocupação. - É difícil determinar uma relação clara entre a potência transmitida pelo Sistema de Corrente Contínua e o perfil da distorção harmônica. No período analisado houve pouca variação na transmissão, sem correspondência com o comportamento do nível de harmônico. 6.3 PROPOSTAS DE SOLUÇÃO O alto nível de harmônicos e o numero de ocorrências encontrado em Ibiúna levou à realização de diversas discussões técnicas, inclusive com o ONS, onde se levantaram várias hipóteses de ações das quais as principais são aqui sumarizadas. 6.3.1. Operação sem os filtros de 3 O /5 O harmônicos Na situação em que os dois filtros estivessem indisponíveis, seja por manutenção, queima ou atuação de sua proteção de sobrecarga. Depois de uma análise criteriosa, esta proposta foi descartada. Conforme situações previstas nos estudos do projeto do Sistema de Corrente Contínua, há riscos operacionais nestas condições, com possíveis repercussões financeiras pela própria indisponibilidade bem como por custos de reposição de equipamentos. FIGURA 6 Distorção Harmônica Total (%) 6.3.2. Instalação de novos filtros A proposta de solução mais rápida foi o reforço da capacidade de filtragem de 3 o /5 o de Ibiúna através da instalação de 2 novos bancos de filtros, de potência nominal de 59 Mvar para cada módulo. O pedido de autorização para a instalação destes equipamentos foi encaminhado à ANEEL, mas durante a elaboração deste artigo ainda não havia uma decisão sobre o assunto.
404 6.3.3. Campanha de medição de harmônicos A solução definitiva só será possível após o entendimento completo do desempenho dos harmônicos naquela região, com uma detalhada campanha de medição, verificando a influência dos mais diversos aspectos como configuração de rede, período de carga, presença de cargas não-lineares, disponibilidade de filtros e bancos de capacitores na região, sob coordenação do nos, o que neste momento se encontra em providência. 7. RESULTADOS DO MONITORAMENTO DE QUALIDADE DE ENERGIA EM FOZ DO IGUAÇU No período de análise o desempenho da distorção harmônica foi bastante regular, com pequenas variações registradas que não trouxeram maior preocupação para a operação. Nesta subestação não ocorrem problemas de sobrecarga harmônica, como é normal em Ibiúna. Entretanto, pode-se destacar a utilização do sistema de medição para identificação da queima de reator de um dos filtros monitorados. Tal evento não causou a atuação de proteção, sendo identificado no campo através de inspeção visual durante manutenção. A Figura 8 mostra o instante da queima da fase A do reator, ocorrendo a perda de sintonia do filtro, diminuindo as componentes de 3 o e 5 o harmônicos de corrente e aumentando o índice de 4 o harmônico. Para as outras fases e para o filtro em paralelo não se nota qualquer alteração no resultado da medição. Esta informação foi empregada para a análise da ocorrência. operar normalmente o sistema de Corrente Contínua sem a presença de dois filtros de 3 o /5 o harmônicos. O monitoramento implantado em Ibiúna e Foz do Iguaçu com o sistema Power Auditor, realizado de forma contínua, vem sendo utilizado tanto para se compreender o comportamento do sistema em situações de operação normal como nas ocorrências. Assim, os resultados até o momento permitiram concluir que a sobrecarga harmônica que vem ocorrendo nos filtros de Ibiúna é causada pela injeção proveniente do sistema interligado, conforme exemplificado pelos registros analisados da ocorrência de 27/01/2002. A solução de reforçar a filtragem de 3 o /5 o harmônicos de Ibiúna é aquela que se apresenta como a de mais rápida implantação. A solução definitiva para o problema apresentado só pode ser definida após um longo estudo, com monitoramento continuado das barras e incluindo medição e simulação, em que fique esclarecido o motivo do desempenho e responsabilidades por este comportamento dos harmônicos. O sistema de monitoramento se mostrou uma ferramenta também útil para a análise de eventos, auxiliando na pesquisa das causas de problemas operacionais diversos. 9. AGRADECIMENTOS À Eng. Ana Cristina F. Marotti que, trabalhando para FURNAS, foi responsável pela condução dos trabalhos de investigação, especificação e instalação dos sistemas em Ibiúna e Foz do Iguaçu. Às equipes de Ibiúna e Foz, do laboratório central (CTE.O) e da área de qualidade em Furnas, pelo envolvimento crítico e construtivo durante o desenvolvimento. Aos profissionais da Joule Energy, e em especial o eng. João Nojiri. Ao Eng. Luiz Coelho e sua competente equipe da Lynx pelo trabalho com o hardware do sistema. Ao eng. Luis Valentim e equipe, na TLC, e Richard Goodland da QST, pelo competente e paciente trabalho de desenvolvimento do Power Auditor e do QSR2000. 10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FIGURA 8 Distorção Harmônica Individual de Corrente - fase A (%) 8. CONCLUSÕES O Sistema de Corrente Contínua de FURNAS foi projetado de tal forma que a presença de apenas um filtro de 3 o /5 o harmônicos seria capaz de garantir a qualidade de sua operação. No entanto, não é possível [1] Madzarevic, V. et all, General Description and Principal Characteristics of the Itaipu HVDC Transmission System, International Symposium on HVDC Technology, março 1983 [2] Relatório SCEL-002/92, Sobrecarga harmônica na SE Ibiúna Diagnóstico e expectativa de solução. [3] A.L.Farias, D.S. Arentz, S.L.I. Gonçalves, Sobrecarga harmônica em filtros AC do sistema de corrente continua de Furnas, X ERLAC, maio 2003 [4] Referência Técnica - Sistema Power Auditor - Joule Energy, abril/2002